供稿人:张曼玉 田小永 发布日期：2017-09-16
石墨烯具有蜂窝状结构，厚度为一个碳原子，是富勒烯、碳纳米管、石墨等碳的同素异构体的基本组成单元。由于石墨烯独特的结构，使其具有特殊的物理、化学、力学等性能。如图1为石墨烯结构
图1石墨烯结构
图2导电石墨烯3D打印丝材
石墨烯本身的优势就是质量轻、强度高、导电性好。而石墨烯3D打印目前主流采用的是挤出式3D打印（extrusion-based 3D printing）技术，其核心与关键也正是打印过程中所用的丝材，这需要先获取石墨烯及其衍生物，分散于合适的高粘度高分子材料或其他溶剂中形成丝材并3D打印成所需三维结构，待打印结束后，通过后处理方式提高石墨烯的还原程度及纯度[1]。石墨烯3D打印丝材如图2所示。
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Marcus A. Worsley团队也利用3D打印技术获得石墨烯微晶格气凝胶（图3）[2]。该打印的浆料是将氧化石墨烯超声分散于水中，再混入增强剂获得，3D打印结束后在氮气中1050℃ 高温退火处理对氧化石墨烯进行热还原，并利用化学溶剂刻蚀掉二氧化硅等物质以获得纯石墨烯微晶格气凝胶，该结构与普通块体石墨烯的机械性能测试结果表明，3D打印的石墨烯更具优势，杨氏模量值高一个数量级。
图3石墨烯微晶格气凝胶
图4 3D打印石墨烯基电池
石墨烯材料的一个典型的例子就是电化学储能器件（主要包括电池和超级电容器），目前三明治结构和平面型结构是两个主流构型，Graphene 3D Lab公司就推出的3D打印石墨烯材料组装了三明治结构电池（图4），石墨烯起着很重要的电化学及机械性能增强作用。
石墨烯材料在生物医学方面也独具优势。美国西北大学Ramille N. Shah和Mark C. Hersam研究组利用挤出式3D打印技术打印出石墨烯与一种可降解聚酯（PLG）形成的复合材料[3]。打印出来的三维结构被证实可以较稳定的应用于生物医学方面，研究团队往打印的石墨烯基支架上注入了干细胞，最终的结果相当出色。首先，细胞存活了下来，然后继续分裂、增殖并转化成类似神经元的细胞。