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  焊接是現代材料科學中最為重要和基礎的制造方法之一。其所展現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。開發新焊接原理，拓展新焊接材料因此成為了整個材料科學長期以來的核心目標之一。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，現有的焊接策略無法適用。提出新的焊接原理實現對碳材料的焊接因而具備極為深刻的雙重意義：對現有的焊接技術理論做出重要的擴充；賦予難加工的碳材料的宏觀結構和功能的高度可設計和制造性。

  中國科學院寧波材料所劉小青研究員團隊長期致力于可持續熱固性樹脂的應用基礎研究（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”的閉環轉化。

  近日，針對三維石墨烯材料難加工和結構功能可設計性差的問題，該團隊創新性地提出了激光焊接技術概念，為多功能三維石墨烯的設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“焊接劑前驅體”。首先，將該前驅體注入到兩個被焊基體結構之間，充當了粘結劑的功能，與基體結構充分融合并最終實現對兩個被焊基體的連接。隨后，使用10.6 μm的紅外激光，將連接點處的前驅體快速、原位地轉化為高質量的石墨烯焊接劑，從而完成對三維石墨烯基體結構的焊接與集成。整個激光焊接過程不包含任何惰性氣體的保護，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構與性能研究

  同時，焊接劑的結構，性能及成分允許根據被焊石墨烯基體結構的自主設計和調節。焊接劑的最大的電導率和機械強度分別達到了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具備廣泛的適用性和通用性，能夠實現對三維石墨烯材料的高質量修復與集成。 

圖3. 通過激光焊接技術實現的具有復雜結構與功能的宏觀三維石墨烯制造

  最值得一提的是，一些通過傳統方法很難甚至完全無法制備的結構可以通過這項激光焊接技術輕松獲得。很顯然，通過對材料的焊接集成在理論上能夠實現碳材料的不同成分，結構，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雜功能碳材料體系的設計與制造帶來了無限的想象空間。

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