Adv. Sci.：激光诱导3D石墨烯聚合物复合材料，具有改善的机械和电气性能，实现多功能性能

背景介绍

由2D石墨烯材料组装而成的宏观3D石墨烯（3DG）架构引入了增强的特征，如巨大的比表面积、显著的导电性和热性能，这使得2D石墨烯片在实际应用中能够得到有效和充分的使用。3D石墨烯基复合材料是3DG架构之一，它整合了石墨烯和聚合物的特性，在力学和电学方面表现出优异的性能，并在柔性电子、应变传感器和电磁功能材料方面有着巨大的新兴应用。根据导电3DG复合材料的基本合成原理，大致分为两类：将导电纳米材料分散/混合到聚合物中制备的混合方法，以及直接将形成的3D导电结构浸入聚合物基质中的浸涂方法。同样，通过使用石墨烯基油墨/凝胶/树脂，通过3D打印逐层制造宏观结构部件，如油墨打印、挤压打印、立体光刻等。相比之下，在制备复合材料时，3DG泡沫的多孔网络不需要分散在聚合物中，并且与聚合物基质完全分离，保持了树脂的固有性能。然而，模板辅助方法或自组装方法的复杂性严重限制了基于3DG的架构的生产和现实发展。因此，有效制备具有可控设计的3D石墨烯结构的能力对于3DG复合材料的学术研究和工业应用都是可取的。

激光诱导石墨烯（LIG）技术是一种一步法、高效、灵活的工艺，用于合成在制造、结构和性能方面具有可控性的石墨烯。通过程序化的处理步骤，LIG技术已经发展成为一个不可或缺的处理平台，在这个平台上，石墨烯相关的创新材料和器件通过与传统技术或材料的结合得到了成功的利用，获得的LIG结构已被应用于电子、海水淡化、储能和生物传感器。通过利用这种多功能性，已经生产出各种基于LIG的智能聚合物复合材料，包括用于应变监测的自感应力复合材料，用于微波屏蔽和吸收的多功能表面/界面和自我保护。尽管可以实现功能复合材料，但获得的LIG结构主要集成在上述复合材料的表面或层间，由于薄膜/纸张衍生的LIG对基材的依赖性，导致结构和性能的各向异性。为了缓解这种情况并进一步促进LIG复合材料的发展，合成了独立的3D LIG架构，用于制造基于LIG的功能复合材料。具体而言，Luong和Song等人利用增材制造方法直接制造基于激光诱导石墨烯和层压物体制造（LOM）的具有多孔结构的3D LIG泡沫。对于3D复合材料的组装，Luo等人将LIG技术与热压工艺相结合，制造出用于电磁屏蔽和隐身的智能聚合物蜂窝。采用相同的策略，Kang等人通过FDM技术制备了功能化LIG界面，以改善聚合物复合材料的各向异性和光电热性能。然而，这些方法仍然受到模板和粘合剂要求的限制，这限制了基于3D石墨烯的架构制造的可控性和设计灵活性。因此，一种简单的LIG工艺尚未被报道，该工艺能够直接自由制造3D石墨烯基复合材料。

本文亮点

1. 本工作描述了利用激光诱导石墨烯（LIG）驱动的3D打印技术和传统的渗透工艺组装石墨烯基导电聚合物复合材料。

2. 协同集成赋予了所提出的3D-LIG/环氧树脂复合材料在贯穿平面内的电导率为3.54 S m⁻¹，拉伸强度约为5.4 MPa，比强度提高了7606%，高达6.8×10³（N m）kg⁻¹。

3. 柔性复合材料表现出优异的延展性，达到230%的拉伸破坏应变和50%的高线弹性应变。

图文解析

图1. 使用激光诱导石墨烯制造基于3D石墨烯的架构。（a）3D-LIG架构的制造示意图；原始3D-LIG泡沫（b）和独立3D-LIG泡沫塑料（c）的照片和宏观横截面形态；（d）获得的橡胶和环氧树脂填充的3D-LIG复合材料。

文献信息

第一作者：Fu Liu

通讯作者：Jingyang Li

通讯单位：中北大学

DOI: 10.1002/advs.202509039