3D打印代表着未来各项职业的核心技能需求。尤其是近年来，有各种3D打印金属和高分子资料的突破性开展，然而与之比较，3D打印碳资料以及有关技能及商业化开展面临着巨大的瓶颈和杂乱的应战。值得一提的是，碳资料在催化、能量存储、生物医学、高性能复合资料等范畴具有巨大运用价值和潜力。3D打印碳资料的瓶颈首要在于碳前驱体的资料一般比较贵重，以及碳组件在加工碳化过程中的明显缩短导致终究产品的标准难以操控。这些长期存在的技能痛点也导致了3D打印多功用碳资料的商业运用和开发一向很受限。

  最近，南密西西比大学的强哲教授团队与天普大学刘岭教授团队协作，成功地运用商用聚丙烯（PP））填料作为前体，完成了3D打印碳资料。这项技能成功直接处理了约束碳资料的缩短和本钱问题，为3D打印碳资料的产业化铺平道路。相关研讨于2024年1月29日宣布在Nature Communication上。

  该项技能首要处理了3D打印碳前体的本钱问题。低本钱的商用聚丙烯复合资料作为前体，以及简易的工艺流程确保了商用大规模的出产。

  作者选用熔丝制作（FFF）办法，将含有商用聚丙烯复材纤维进行打印，随后将打印出的样品在150℃条件下浸泡在强酸中进行交联。终究，样品在氮气环境中800℃下进行碳化。相较于之前传统的加工办法受限于高分子前驱体溶解度或高熔融温度，熔丝制作法拓宽了前驱体的挑选规模，使得规划杂乱结构组件愈加灵敏。

  一起，复合资料前驱体的运用确保了资料在经过交联化和碳化处理后只要4%的极低体积缩短率，初次完成了精准操控终究碳资料的三维结构，密度，力学性能。相较于纯PP衍生出的碳组件（体积缩短率约为20%）有了突破性的前进。此外，碳资料展现出极好的力学性能，强度分量比能到达9600：1，可回弹形变可到达惊人的50%。

  出产过程中PP的未彻底交联也为3D打印碳组件供给了一起的孔隙结构，该研讨建立了交联时刻与孔隙率，密度，机械性能之间的联系，在简略改动出产条件的情况下完成了精准操控衍生碳性质。一起研讨也发现孔隙结构正是碳资料的弹性来历，给予了3D打印碳特有的“柔性“，孔洞也为碳资料供给了极端可观的比表面积，使其有更多的表面积与气体结合以到达吸附气体的作用，未来有望用于气体吸附范畴。

  此外这些由 PP-CF 长丝衍生出的 3D 打印碳有超卓的焦耳热效应。依据焦耳定律，在相同电流下，增加导体的电阻会导致更高的温度。与具有高导电性的金属和石墨比较，高电阻的无定形PP 衍生碳在焦耳加热才能方面具有明显优势。且碳在高温下性质安稳，这些特性使得3D打印碳为工业脱碳和低碳化供热供给了潜在的重要处理方案。

  该技能已成功请求美国专利，相关团队正在积极地推动技能产业化。该技能具有高度适应性和广泛适用性，可为下一代 3D 功用碳资料的开发做出重大贡献。经过此技能出产的碳资料具有一起的力学性能且体积结构安稳可控，其轻质特性、可压缩和弹性机械行为以及高强度分量比可用在一切传感运用，包含软机器人的健康监测以及环境修正吸赞同水净化，乃至作为动力发生和贮存的资料。一起，聚丙烯交联衍生出的碳产品的多孔结构使得该技能有望运用于二氧化碳吸附，高电阻碳资料超卓的焦耳热效应使其在电热范畴具有高效率发热的潜力。这将为碳中和经济的推动供给重要推动力。

  （一起）通讯作者 强哲，南密西西比大学高分子系助理教授，博士生导师。本科结业于东华大学，博士结业于阿克伦大学，结业后于西北大学从事博士后研讨。首要研讨范畴为：3D打印，塑料收回和环境修正，功用性多孔资料，先进光学表征。2022年当选北美福布斯科学界 30 位 30 岁以下出色人物， 2023年取得美国NSF CAREER award 而且当年当选35 名 35 岁以下的出色 AIChE (美国化工协会) 成员。

  （一起）通讯作者 刘岭：天普大学机械工程系副教授，博士生导师。本科结业于大连理工大学，博士结业于哥伦比亚大学。首要研讨范畴为：先进资料的多标准建模与仿真, 复合资料制备，以及机械学习办法。2018年取得NSF CAREER award。

  榜首作者 Paul Smith：南密西西比大学高分子科学与工程系博士生，本科结业于西华盛顿大学。

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