一种可由陶瓷颗粒和石墨烯片组成的复合材料3D打印的近红外响应微尺度悬臂结构

《Advanced Engineering Materials》：3D-Printable Near-Infrared-Responsive Microscale Cantilever made of the Composite Consisting of Ceramic Particles and Graphene Flakes

微尺度近红外响应悬臂梁的3D打印及光热驱动研究。采用海泡石与石墨烯复合的3D打印材料，通过超声处理优化分散性，实现1064 nm激光下平均1.3±0.18 mm位移，响应时间1.7秒。热稳定性测试表明海泡石耐高温特性显著，结合石墨烯的光热效应，材料兼具快速响应与机械稳定性。

　　本文探讨了一种基于陶瓷纤维（如海泡石）和石墨烯片的新型3D打印复合材料，并展示了其在近红外（NIR）光响应方面的性能。该研究提出了一种具有快速响应能力的微尺度悬臂梁结构，能够在NIR光照射下产生显著的位移，为未来微尺度智能材料的应用提供了新的可能性。本文从材料的选择、复合材料的制备过程、性能测试以及潜在应用等多个方面进行了深入分析，强调了这种材料在无需复杂工艺的情况下实现高效光响应的特点，以及其在微机器人、医疗传感和智能制造等领域的应用前景。

在微尺度结构的设计与制造中，光响应材料因其无须额外电连接、具备无线触发、空间分辨率高、可调参数多等优点而备受关注。传统的微尺度机械结构通常依赖于外部驱动系统，而光响应材料能够通过吸收特定波长的光来实现自驱动运动，这在一些复杂或敏感的应用场景中具有不可替代的优势。NIR光由于其良好的穿透性和较低的生物毒性，成为近年来研究的重点。NIR波长范围通常在780至2500纳米之间，它能够穿透多种材料，包括有机材料和聚合物，这使得其在微尺度结构的远程控制方面展现出独特的潜力。

本文中所提出的NIR响应复合材料，由海泡石陶瓷粉末和石墨烯片组成，能够有效吸收NIR光并将其转化为热能，从而引发机械形变和运动。这种材料的优势在于其不需要复杂的高能耗工艺，同时具备良好的光热转换效率和可重复性。在实验中，研究人员通过调整材料配比和制备参数，成功实现了该复合材料的3D打印，并验证了其在NIR光照射下的响应特性。例如，在1064纳米波长的NIR照射下，该悬臂梁能够实现平均1.3毫米的位移，并且在激光开启与关闭的1.7秒内表现出快速的响应能力。这种响应速度显著优于以往报道的材料，通常需要数十秒甚至数十分钟才能完成响应过程。

在材料选择方面，研究人员选择了海泡石和石墨烯作为填充剂。海泡石是一种天然的轻质多孔矿物，具有较高的比表面积和良好的吸附性能，能够有效增强复合材料的热稳定性。而石墨烯则因其出色的热导率和NIR光吸收能力，成为理想的光热转换材料。通过将这两种材料结合，研究人员不仅提升了复合材料的光响应性能，还改善了其机械强度和热稳定性。此外，石墨烯的加入还增强了材料的导电性，这在某些特定应用中可能具有额外的价值。

为了确保材料的均匀分散和良好的3D打印性能，研究人员采用超声波处理技术对混合材料进行搅拌。超声波处理不仅有助于细小颗粒在树脂中的均匀悬浮，还能够提升材料的流动性和可加工性。实验结果显示，经过超声波处理后的复合材料在打印过程中表现出更优的机械性能，且其结构更加均匀，减少了因颗粒分布不均导致的缺陷，如气泡、裂纹等。此外，超声波处理时间对最终材料的性能也有显著影响，适当延长处理时间能够提高材料的均匀性，从而增强其光响应能力。

在性能测试方面，研究人员使用了多种手段对材料的热性能和机械性能进行了分析。其中包括扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDX）用于观察材料的微观结构和元素组成，Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析用于测定材料的比表面积和孔隙结构，热重分析（TGA）用于评估材料的热稳定性。实验结果表明，海泡石在高温下仍能保持良好的稳定性，而石墨烯则在约500至700摄氏度之间表现出良好的热稳定性。同时，研究人员还通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了添加石墨烯和陶瓷颗粒后，材料的化学结构未发生明显变化，这表明其在光响应过程中不会产生额外的化学反应，从而保证了材料的稳定性。

在NIR响应测试中，研究人员使用了温度传感器和单色相机进行测量。温度传感器用于监测材料在NIR照射下的温度变化，而单色相机则用于记录悬臂梁的位移情况。通过对比不同电流强度下的激光照射，研究人员发现材料的位移量与电流强度呈正相关。例如，在1250毫安的电流下，悬臂梁的位移达到了最大值，而随着电流强度的增加，材料的响应速度也有所提高。此外，研究还发现，材料在多次循环中表现出良好的可逆性，能够在NIR照射后恢复到初始状态。这种特性对于微尺度设备的长期使用和重复操作至关重要。

在材料应用方面，本文提出了一种基于该复合材料的微悬臂梁结构，其具有广泛的应用前景。例如，在微机器人领域，这种材料可以作为紧凑型驱动器，通过NIR照射实现无线运动控制。在医疗传感方面，它可用于远程温度检测或血液流动监测，其快速响应特性有助于实时反馈。在微流控系统中，这种悬臂梁可以作为光控阀门，通过NIR照射调节流体流动。此外，这种材料还可能用于智能结构的制造，如可变形微结构、可重构传感器等。

然而，研究也指出了一些潜在的挑战。例如，虽然材料在低电流强度下表现出良好的响应性和稳定性，但在高电流强度下可能会出现局部过热，导致材料损坏或结构变形。因此，在实际应用中，需要合理控制激光的强度和照射时间，以避免对材料造成不必要的损害。此外，材料的可加工性也受到一定限制，例如石墨烯的添加量不能过高，否则会影响树脂的固化性能。这表明，在材料设计过程中，需要对各种填充剂的配比进行精确调整，以确保材料在3D打印过程中的可行性和最终性能的稳定性。

为了进一步优化材料的性能，研究还提出了一些可能的改进方向。例如，可以通过改变悬臂梁的结构设计，如采用不同的拓扑结构或细胞结构，来提升材料的响应均匀性和可逆性。此外，还可以探索其他类型的光响应材料，如不同的纳米材料或有机染料，以实现更广泛的光响应波长范围和更灵活的材料性能。同时，对材料表面的化学相互作用进行更深入的研究，如使用X射线光电子能谱（XPS）分析材料表面的化学键和界面相互作用，有助于理解材料在光响应过程中的微观机制，并为后续优化提供理论依据。

此外，研究还强调了该材料在医疗和智能制造领域的潜在应用价值。由于其良好的生物相容性和可加工性，该复合材料可能适用于植入式传感器或微型医疗设备的制造。例如，利用其光热响应特性，可以开发用于体温监测、组织工程或药物输送的微型装置。在智能制造领域，这种材料可以用于远程控制的微结构或微机器人，实现自动化、智能化的制造过程。同时，其快速响应特性也使其在实时监测和动态控制方面具有独特优势。

综上所述，本文提出的NIR响应复合材料不仅具备良好的光热转换效率和机械性能，还能够通过简单的3D打印技术实现微尺度结构的快速制造。这种材料的开发为未来的智能材料研究提供了新的思路，同时也为微尺度设备的远程控制和动态响应提供了可行的解决方案。尽管目前仍存在一些挑战，如材料的耐高温性能、加工参数的优化等，但通过进一步的研究和实验，这些技术瓶颈有望得到克服，从而推动该材料在更多领域的实际应用。