激光誘導石墨烯技術製備出無基質的大尺寸石墨烯紙

北京航空航天大學機械工程及自動化學院羅斯達教授團隊成功利用先進激光誘導石墨烯技術（Laser Induced Graphene,LIG）製備出無基質的大尺寸石墨烯紙，其最新研究成果被著名雜誌《Small》(IF:9.598,Q1)與《Carbon》（IF:7.082，Q1）先後在線刊登。機械工程及自動化學院2017級博士生王亞楠與2016級碩士生王勇分別為文章的（學生）第一作者，羅斯達教授為兩篇文章的唯一通訊作者，北京航空航天大學為唯一通訊單位。

石墨烯紙的優勢與製備方法

近年來，石墨烯成為科學界研究的熱點領域中國塗料在線coatingol.com。其中，作為自支撐宏觀二維材料的石墨烯紙（Graphene Paper,GP）具有超輕、超薄、高強、高導電導熱的特性，在柔性電子、智能結構、儲能器件、生物醫學等領域具有潛在的應用價值。然而，傳統GP的製備主要依賴於液相組裝法，其原料昂貴、工藝繁瑣、加工效率低，不利於大規模製備與應用。為了解決這一問題，2014年，美國萊斯大學著名化學學家James Tour提出了先進激光誘導石墨烯技術（Laser Induced Graphene,LIG），不僅大幅度降低了生產成本，還使柔性石墨烯器件的製備變得簡單高效。然而利用先進LIG技術製備無基質大尺寸石墨烯紙的研究及方法一直未被提出，也一定程度限制了LIG技術與器件的應用。羅斯達教授團隊以此為契機，開展了一系列研究，尋找可行性製造方法。

從微小的結果差異中尋求靈感

羅斯達教授團隊在一次利用各種高分子薄膜製備LIG應變感測器的系統研究中，偶然發現多孔聚醯亞胺纖維聚合薄膜（PI紙）相較於其它高分子基材可以製備出表面平整度與導電性大幅提升的LIG結構。於是羅教授由此產生靈感，開始指導團隊系統探索及驗證在大尺度加工條件下，如何整體將PI紙轉化為LIG結構，並使之保持高平整度與導電性的同時，具備良好的力學穩定性。

最終，羅斯達教授團隊成功利用先進LIG技術製備出了不依賴於基體支撐的大尺寸石墨烯紙。同時研究發現，PI紙具有的特殊多孔層狀纖維網路結構，可均勻吸收CO2激光輻照的能量，並大幅度抑制石墨化過程引發的結構變形、應力集中、松質、破損、失焦等加工難題，因此確保了GP材料的連續大尺寸加工。目前製備出的單張GP材料的最大面積為1400cm2，已達到現有實驗室級石墨烯紙製備的最大尺寸之一。此外，該GP材料所具備的柔性與韌性保障其可通過激光二次加工實現各種多尺度複雜結構，並可以和樹脂、硅膠等先進工業材料進行進一步的一體化融合製造。

圖1.石墨烯紙的先進激光連續製造及多模式形態加工

通過系統的加工結構性能關係探索研究，該先進激光誘導GP材料具備優異的力學、電學、熱學、電化學等特性，可用於可穿戴手勢識別、機器人動作捕捉、油水分離、抗菌界面以及實現具有阻燃、防/除冰、結構健康監測等功能的先進航空樹脂基複合材料結構，未來具有廣闊的商業化前景。

圖2.激光誘導石墨烯紙的可調控結構、性能及多功能應用

對未來的展望與寄語

對於未來的研究，羅斯達教授團隊還將繼續在激光誘導石墨烯紙方向上進行探索，在現有研究成果的基礎上，深入挖掘這一結合數字化可控制造與前沿納米材料的先進技術在各領域應用的潛力。同時，團隊也將繼續深入研究石墨烯紙的高通量連續卷對卷製造，探尋其商業化前景，創造更多的價值。

「在做科研的過程中，計劃通常趕不上變化，最初的設想可能和過程中的結果千差萬別。但正是這個千差萬別的結果，可能又會激發出更新的想法。」在採訪的最後，羅斯達教授說道。在進行科研的過程中，每一個看似異常的結果都可能成為一個新的突破點，因此一定要重視每一個結果。此外，羅斯達教授還告訴我們一定要放眼世界，實時跟蹤前沿發展現狀。一旦有了可借鑒的新想法，就能站在巨人的肩膀上，對未來的研究迭代出更明確的思路。

結語

羅斯達教授團隊提出的低成本大面積製備激光誘導石墨烯紙技術、可為宏觀石墨烯材料與結構的大規模製備，以及商業應用帶來一定的指導性思路與科學意義。對於未來的研究，羅斯達教授團隊還將繼續在激光誘導石墨烯紙方向上進行探索，深入挖掘這一結合數字化可控制造與前沿納米材料的先進技術在各領域應用的潛力。同時，團隊也將繼續深入研究石墨烯紙的高通量連續卷對卷製造，探尋其商業化前景，創造更多的價值。我們也期待他們能在該領域取得更大的突破和成就。

該研究分別獲得國家自然科學基金青年項目、國家商用飛機製造工程技術研究中心創新基金及航空科學基金的支持。

來源：北京航空航天大學

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