激光诱导三维石墨烯增强聚合物复合材料的力学与电学性能及其多功能应用研究

这篇综述创新性地提出通过激光诱导石墨烯（LIG）3D打印技术结合聚合物渗透工艺，制备具有优异力学强度（拉伸强度提升7606%至≈5.4 MPa）和导电性（面内电导率3.54 S m?1）的多功能复合材料，在除冰、微波吸收（8.9–12.0 GHz波段吸收率>85%）和柔性传感器（响应时间290 ms）等领域展现巨大潜力。

　　

摘要

激光诱导三维石墨烯（3D-LIG）技术通过选择性激光碳化（SLC）在聚酰亚胺（PI）粉末上直接打印多孔泡沫结构，经N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶解残留PI后形成独立支撑的3D石墨烯骨架。该骨架与环氧树脂或弹性体（如Ecoflex）复合后，材料性能显著提升：环氧复合材料压缩强度达18.8 MPa（提升56969%），弹性体复合材料断裂应变达230%，兼具3.54 S m^?1的面内电导率和6.8×10³ (N m)/kg^?1的比强度。

2.1 3D-LIG结构的制备

采用CO₂激光（1 W功率，50 μm层厚）逐层碳化PI粉末，构建孔隙率99%、密度20 g cm^?3的轻质泡沫。扫描电镜（SEM）显示溶解处理后形成微米级连通孔道，比表面积从22 m² g^?1增至112 m² g^?1。X射线光电子能谱（XPS）证实sp² C-C键（284.0 eV）主导的石墨烯特征，热重分析（TGA）表明800°C下质量保留率超85%。

2.2 复合材料的性能调控

环氧树脂含量从10 wt%增至50 wt%时，复合材料呈现脆性断裂但强度显著提升；而Ecoflex含量40–70 wt%的柔性复合材料则展现50%线性弹性区和230%断裂应变。电流-电压（I-V）曲线证实欧姆接触特性，应变传感的灵敏度（GF≈10.7）源于石墨烯片层滑移导致的接触面积变化。

2.3 电驱动功能应用

4.8 W输入功率下，环氧复合材料表面温度达230°C，6.5分钟内完成冰层融化。在X波段（8–12 GHz），3 mm厚样品反射损耗为-10.8 dB（9.1 GHz），有效吸收带宽1.6 GHz，归因于三维网络对电磁波的多重散射。

2.4 柔性传感性能

3D-LIG/Ecoflex传感器在1500次5%应变循环后仍保持稳定响应，对指关节弯曲（ΔR/R₀≈120%）和瞬时压力（22.7 kPa）的响应时间分别为145 ms和290 ms，适用于可穿戴电子皮肤。

3 结论与展望

该工作为石墨烯复合材料提供了可定制化制备方案，未来需优化界面相互作用以拓展极端环境应用。实验部分详述了真空辅助渗透工艺和性能测试方法（动态机械分析仪DMA、矢量网络分析仪VNA等），为产业化奠定基础。