Графен – материал, который представляет собой углеродную решетку толщиной в 1 атом. Кроме того, что это сверхтонкий материал, он обладает уникальными свойствами – у него высокая электро- и теплопроводность, гибкость и упругость, он почти прозрачный. Это биосовместимый материал с высоким растяжением, который не пропускает жидкости и газы. При этом, графен — самый прочный из
известных материалов. За его открытие ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию.
Материал используется в аэрокосмической и автомобильной отраслях, в гибкой электронике. Исследования показывают, что его использование на фюзеляжах и крыльях самолетов значительно снизило бы проблему их обледенения.
Однако существующие технологии получения графена из графита, в частности, формование порошков в пористые заготовки с тепловой обработкой при высоких температурах, позволяют получить небольшие по размерам и простые по форме изделия.
Исследователи из Пермского Политеха разработали технологию 3D-печати из этого материала, что открывает возможности для более широкого применения материала в промышленности, создания высококачественных крупных деталей различных форм с высокими эксплуатационными свойствами.
«Мы разработали технологию 3D-печати изделий из графена в жидких углеводородах. В отличие от аналогов, при изготовлении материала не используется связующее, что позволяет повысить физико-механические свойства изделий. Кроме того, технология не требует энергоемкой и дорогостоящей термической обработки, — рассказывает руководитель проекта, доцент кафедры инновационных технологий машиностроения Пермского Политеха, заведующий учебной лабораторией, кандидат технических наук Дмитрий Караваев.
Разработчики сконструировали экспериментальную установку для 3D-печати графеном в жидких углеводородах. Они определили наиболее оптимальные режимы для выращивания изделий.
— В процессе получения изделия мы разместили детали из графита в жидком углеводороде. После этого одну из деталей, в форме стержня, подключили к плюсу источника тока, а другую, в форме пластины, — к минусу. В процессе нагревания деталей до высокой температуры между ними образовалась электрическая дуга. Деталь-стержень можно перемещать горизонтально и вертикально. Жидкий углеводород испарился, и на поверхности деталей образовалось углеродное покрытие — графен. Его также можно получить и с применением медных и никелевых электродов, — сообщает исследователь.
В планах исследователей — создать 3D-принтер для печати графеном, а также оказывать услуги по изготовлению изделий для компаний.
Потребителями новой технологии могут стать производители электроники и медицинского оборудования и предприятия аэрокосмической, автомобильной, энергетической, нефтяной и химической промышленности, считают ученые.
По словам разработчиков, к 2020 году объем мирового рынка 3D-печати достиг почти $12 млрд. По прогнозам GlobalData, к 2025 году он составит $32 млрд, а к 2030 году — $60 млрд. Россия находится на 11-м месте в мире по производству и внедрению технологий 3D-печати. Доля отечественного рынка в этой сфере составляет 2 %, при этом за последние восемь лет он вырос в 10 раз. Это открывает большие переспективы перед технологией 3D-печати из современных материалов.
Результаты работы ученые опубликовали в журнале Materials Science Forum (в печати). Партнерами исследователей выступило ООО «Силур» (Пермь).
Исследование, которое соответствует направлениям «Углеводороды» и «Химические технологии» Пермского НОЦ, выполнено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
