近日，北京航空航天大學(xué)羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的激光誘導(dǎo)石墨烯智能蜂窩的制備方法。如圖1所示，該方法利用激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)制備得到大尺寸的石墨烯紙。以石墨烯紙為基礎(chǔ)層，聚氨酯膜為芯條膠，通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計(jì)對(duì)聚氨酯膜進(jìn)行切割，并將其嵌入到相鄰的兩張石墨烯紙之間。通過(guò)層壓工藝，聚氨酯膜對(duì)相鄰石墨烯紙的特定位置進(jìn)行粘接；伴隨著石墨烯紙的非粘接界面穩(wěn)定拓展，形成蜂窩構(gòu)型。經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸漬固化，得到蜂窩結(jié)構(gòu)。在蜂窩結(jié)構(gòu)的上下表面附加蒙皮，形成三明治蜂窩結(jié)構(gòu)。在此工藝中，結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)計(jì)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的定制化制備至關(guān)重要。

圖1 激光誘導(dǎo)石墨烯智能蜂窩的（a）成型原理與（b）工藝流程

基于蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，如圖2所示，通過(guò)調(diào)控芯條膠的寬度和石墨烯紙的長(zhǎng)度、層數(shù)，可以控制蜂窩結(jié)構(gòu)中孔格邊長(zhǎng)和孔格數(shù)量，并建立孔格數(shù)量與石墨烯紙層數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；通過(guò)調(diào)控拓展程度，可以調(diào)節(jié)孔格的形狀和蜂窩的尺寸，進(jìn)而建立蜂窩長(zhǎng)度、寬度與拓展程度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；利用激光加工的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)PI紙進(jìn)行分區(qū)激光加工，可以調(diào)控蜂窩結(jié)構(gòu)中的石墨烯團(tuán)簇類(lèi)型。

圖2 激光誘導(dǎo)石墨烯智能蜂窩的（a）各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)；（b）10層的成型原理；（c）層數(shù)與孔格數(shù)量的關(guān)系；（d）孔格形狀的變化規(guī)律；（e）蜂窩孔格形狀對(duì)L向和W向尺寸的變化規(guī)律；（f）石墨烯團(tuán)簇類(lèi)型；（g）三角形石墨烯團(tuán)簇的設(shè)計(jì)原理

圖3展示了多樣化的蜂窩結(jié)構(gòu)。基于石墨烯紙的面積尺寸可拓展，可以制備得到大尺寸的蜂窩結(jié)構(gòu)，約150×100×10 mm3；通過(guò)調(diào)控聚氨酯膜切割寬度，制備孔格尺寸為2 mm至5 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)；通過(guò)調(diào)控拓展程度，制備出六邊形、正六邊形、類(lèi)四邊形和四邊形孔格的蜂窩；通過(guò)石墨化團(tuán)簇的預(yù)設(shè)計(jì)，得到了石墨烯/PI的雜化蜂窩結(jié)構(gòu)；通過(guò)增加玻纖預(yù)浸料的蒙皮，得到了三明治蜂窩機(jī)翼截面模型。進(jìn)一步的研究展示了蜂窩結(jié)構(gòu)的高變形容限、輕質(zhì)和承重特性。   

圖3 激光誘導(dǎo)石墨烯智能蜂窩的（a）大尺寸結(jié)構(gòu)；（b）不同厚度結(jié)構(gòu)；（c）不同孔格尺寸結(jié)構(gòu)；（d）不同孔格形狀結(jié)構(gòu)；（e）含有石墨烯團(tuán)簇的PI/LIG蜂窩結(jié)構(gòu)；（f）三明治蜂窩機(jī)翼截面模型；（g）高變形容限度特性；（h）輕質(zhì)特性；（i）可承重特性  

考慮到加工過(guò)程中，激光參數(shù)會(huì)影響石墨烯紙的力學(xué)和電學(xué)性能，層壓工藝會(huì)影響蜂窩結(jié)構(gòu)的層間結(jié)合強(qiáng)度，樹(shù)脂含量會(huì)影響蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)、電學(xué)、傳感和電磁性能。因此，通過(guò)調(diào)控激光參數(shù)，優(yōu)化了石墨烯紙的力電耦合性能；通過(guò)調(diào)控層壓工藝，優(yōu)化了蜂窩結(jié)構(gòu)的層間結(jié)合強(qiáng)度；并通過(guò)建立相應(yīng)的熱壓時(shí)間模型，確保了蜂窩結(jié)構(gòu)的可靠成型。在此基礎(chǔ)上，如圖4所示，建立了樹(shù)脂濃度對(duì)三維石墨烯蜂窩結(jié)構(gòu)的密度及力學(xué)、電學(xué)、傳感和電磁性能的調(diào)控規(guī)律，為蜂窩結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)景應(yīng)用提供了依據(jù)。

圖4 激光誘導(dǎo)石墨烯智能蜂窩的（a）密度特性；（b）剪切性能對(duì)比；（c）L向和W向壓縮性能對(duì)比；（d）T向壓縮性能對(duì)比；（e）T向吸能性能；（f）各向異性的導(dǎo)電性能；（g）各向異性的傳感性能；（h）電磁屏蔽性能的對(duì)比；（i）吸波性能的對(duì)比

基于可定制的加工優(yōu)勢(shì)和建立的加工-結(jié)構(gòu)-性能調(diào)控規(guī)律，我們將蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)造成機(jī)翼截面模型，并進(jìn)一步探索其在防冰除冰、高溫預(yù)警、阻燃、壓力傳感、震動(dòng)監(jiān)測(cè)和電磁防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。   

圖5 激光誘導(dǎo)石墨烯智能蜂窩的（a）機(jī)翼截面模型；（b）防冰/除冰特性；（c）高溫預(yù)警特性；（d）阻燃特性；（e）壓力檢測(cè)特性；（f）不同頻率振動(dòng)監(jiān)測(cè)特性；（g）電磁屏蔽/吸波特性

綜上所述，基于激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)，本研究創(chuàng)新地提出了一種智能蜂窩結(jié)構(gòu)的制備工藝，實(shí)現(xiàn)了智能蜂窩的定制化制備，并建立了其多功能特性的調(diào)控規(guī)律。這為未來(lái)智能高端裝備的輕質(zhì)化、智能化制造提供了重要的指導(dǎo)意義。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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