近日，北京航空航天大學羅斯達教授團隊創新性地開發了一種結構可設計的激光誘導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石墨烯技術制備得到大尺寸的石墨烯紙。以石墨烯紙為基礎層，聚氨酯膜為芯條膠，通過結構預設計對聚氨酯膜進行切割，并將其嵌入到相鄰的兩張石墨烯紙之間。通過層壓工藝，聚氨酯膜對相鄰石墨烯紙的特定位置進行粘接；伴隨著石墨烯紙的非粘接界面穩定拓展，形成蜂窩構型。經過樹脂浸漬固化，得到蜂窩結構。在蜂窩結構的上下表面附加蒙皮，形成三明治蜂窩結構。在此工藝中，結構的預設計對蜂窩結構的定制化制備至關重要。

圖1 激光誘導石墨烯智能蜂窩的（a）成型原理與（b）工藝流程

基于蜂窩結構的設計原理，如圖2所示，通過調控芯條膠的寬度和石墨烯紙的長度、層數，可以控制蜂窩結構中孔格邊長和孔格數量，并建立孔格數量與石墨烯紙層數之間的數學關系；通過調控拓展程度，可以調節孔格的形狀和蜂窩的尺寸，進而建立蜂窩長度、寬度與拓展程度之間的數學關系；利用激光加工的優勢，通過對PI紙進行分區激光加工，可以調控蜂窩結構中的石墨烯團簇類型。

圖2 激光誘導石墨烯智能蜂窩的（a）各項異性結構；（b）10層的成型原理；（c）層數與孔格數量的關系；（d）孔格形狀的變化規律；（e）蜂窩孔格形狀對L向和W向尺寸的變化規律；（f）石墨烯團簇類型；（g）三角形石墨烯團簇的設計原理

圖3展示了多樣化的蜂窩結構?；谑┘埖拿娣e尺寸可拓展，可以制備得到大尺寸的蜂窩結構，約150×100×10 mm3；通過調控聚氨酯膜切割寬度，制備孔格尺寸為2 mm至5 mm的蜂窩結構；通過調控拓展程度，制備出六邊形、正六邊形、類四邊形和四邊形孔格的蜂窩；通過石墨化團簇的預設計，得到了石墨烯/PI的雜化蜂窩結構；通過增加玻纖預浸料的蒙皮，得到了三明治蜂窩機翼截面模型。進一步的研究展示了蜂窩結構的高變形容限、輕質和承重特性。   

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

考慮到加工過程中，激光參數會影響石墨烯紙的力學和電學性能，層壓工藝會影響蜂窩結構的層間結合強度，樹脂含量會影響蜂窩結構的力學、電學、傳感和電磁性能。因此，通過調控激光參數，優化了石墨烯紙的力電耦合性能；通過調控層壓工藝，優化了蜂窩結構的層間結合強度；并通過建立相應的熱壓時間模型，確保了蜂窩結構的可靠成型。在此基礎上，如圖4所示，建立了樹脂濃度對三維石墨烯蜂窩結構的密度及力學、電學、傳感和電磁性能的調控規律，為蜂窩結構的多場景應用提供了依據。

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

基于可定制的加工優勢和建立的加工-結構-性能調控規律，我們將蜂窩結構構造成機翼截面模型，并進一步探索其在防冰除冰、高溫預警、阻燃、壓力傳感、震動監測和電磁防護等領域的應用前景。   

圖5 激光誘導石墨烯智能蜂窩的（a）機翼截面模型；（b）防冰/除冰特性；（c）高溫預警特性；（d）阻燃特性；（e）壓力檢測特性；（f）不同頻率振動監測特性；（g）電磁屏蔽/吸波特性

綜上所述，基于激光誘導石墨烯技術，本研究創新地提出了一種智能蜂窩結構的制備工藝，實現了智能蜂窩的定制化制備，并建立了其多功能特性的調控規律。這為未來智能高端裝備的輕質化、智能化制造提供了重要的指導意義。

來源：高分子科學前沿

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