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  焊接是現(xiàn)代材料科學(xué)中最為重要和基礎(chǔ)的制造方法之一。其所展現(xiàn)出的靈活性和高效性是其他任何制造手段所無法媲美和取代的。開發(fā)新焊接原理，拓展新焊接材料因此成為了整個材料科學(xué)長期以來的核心目標(biāo)之一。迄今為止，盡管可焊接的材料得到了極大的拓展——從傳統(tǒng)的金屬，陶瓷，木頭到塑料，甚至還包括了MXene，但焊接原理基本上還是基于被焊材料的“熔融-擴散”。因此，對于完全不融不溶的碳材料，現(xiàn)有的焊接策略無法適用。提出新的焊接原理實現(xiàn)對碳材料的焊接因而具備極為深刻的雙重意義：對現(xiàn)有的焊接技術(shù)理論做出重要的擴充；賦予難加工的碳材料的宏觀結(jié)構(gòu)和功能的高度可設(shè)計和制造性。

  中國科學(xué)院寧波材料所劉小青研究員團(tuán)隊長期致力于可持續(xù)熱固性樹脂的應(yīng)用基礎(chǔ)研究（Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926; Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. Sci. Technol. 2023, 238, 110028; Chem. Eng. J., 2023, 469, 143963）及相應(yīng)的生物基衍生新型碳材料的制備研究（ACS Nano, 2021, 15, 12, 19490; Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; Chem. Eng. J., 2023, 460, 141882），完成了從“生物碳”到“高性能樹脂”再到“功能碳”的閉環(huán)轉(zhuǎn)化。

  近日，針對三維石墨烯材料難加工和結(jié)構(gòu)功能可設(shè)計性差的問題，該團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了激光焊接技術(shù)概念，為多功能三維石墨烯的設(shè)計和制造提供了一種前所未有的解決方案。 

圖1. 三維石墨烯材料的脈沖激光焊接技術(shù)原理

  該方案的核心在于引入了一個具有高成碳特性和特殊流變性能的“焊接劑前驅(qū)體”。首先，將該前驅(qū)體注入到兩個被焊基體結(jié)構(gòu)之間，充當(dāng)了粘結(jié)劑的功能，與基體結(jié)構(gòu)充分融合并最終實現(xiàn)對兩個被焊基體的連接。隨后，使用10.6 μm的紅外激光，將連接點處的前驅(qū)體快速、原位地轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的石墨烯焊接劑，從而完成對三維石墨烯基體結(jié)構(gòu)的焊接與集成。整個激光焊接過程不包含任何惰性氣體的保護(hù)，催化劑的使用，以及高溫后處理過程，極其高效和便捷。 

圖2. 三維石墨烯焊接件的結(jié)構(gòu)與性能研究

  同時，焊接劑的結(jié)構(gòu)，性能及成分允許根據(jù)被焊石墨烯基體結(jié)構(gòu)的自主設(shè)計和調(diào)節(jié)。焊接劑的最大的電導(dǎo)率和機械強度分別達(dá)到了6700 S/m和7.3 MPa，接近甚至超過了大部分已報道的三維石墨烯材料。這些特性意味這項激光焊接技術(shù)具備廣泛的適用性和通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)對三維石墨烯材料的高質(zhì)量修復(fù)與集成。 

圖3. 通過激光焊接技術(shù)實現(xiàn)的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)與功能的宏觀三維石墨烯制造

  最值得一提的是，一些通過傳統(tǒng)方法很難甚至完全無法制備的結(jié)構(gòu)可以通過這項激光焊接技術(shù)輕松獲得。很顯然，通過對材料的焊接集成在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)碳材料的不同成分，結(jié)構(gòu)，功能在空間上的幾乎任意排列組合。這為多層次、多尺度和多維度的復(fù)雜功能碳材料體系的設(shè)計與制造帶來了無限的想象空間。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH01148H