焊接是现代材料科学中最为重要和基础的制造方法之一。其所展现出的灵活性和高效性是其他任何制造手段所无法媲美和取代的。开发新焊接原理，拓展新焊接材料因此成为了整个材料科学长期以来的核心目标之一。迄今为止，尽管可焊接的材料得到了极大的拓展——从传统的金属，陶瓷，木头到塑料，甚至还包括了MXene，但焊接原理基本上还是基于被焊材料的“熔融-扩散”。因此，对于完全不融不溶的碳材料，现有的焊接策略无法适用。提出新的焊接原理实现对碳材料的焊接因而具备极为深刻的双重意义：对现有的焊接技术理论做出重要的扩充；赋予难加工的碳材料的宏观结构和功能的高度可设计和制造性。

  中国科学院宁波材料所刘小青研究员团队长期致力于可持续热固性树脂的应用基础研究（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）及相应的生物基衍生新型碳材料的制备研究（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），完成了从“生物碳”到“高性能树脂”再到“功能碳”的闭环转化。

  近日，针对三维石墨烯材料难加工和结构功能可设计性差的问题，该团队创新性地提出了激光焊接技术概念，为多功能三维石墨烯的设计和制造提供了一种前所未有的解决方案。 

图1. 三维石墨烯材料的脉冲激光焊接技术原理

  该方案的核心在于引入了一个具有高成碳特性和特殊流变性能的“焊接剂前驱体”。首先，将该前驱体注入到两个被焊基体结构之间，充当了粘结剂的功能，与基体结构充分融合并最终实现对两个被焊基体的连接。随后，使用10.6 μm的红外激光，将连接点处的前驱体快速、原位地转化为高质量的石墨烯焊接剂，从而完成对三维石墨烯基体结构的焊接与集成。整个激光焊接过程不包含任何惰性气体的保护，催化剂的使用，以及高温后处理过程，极其高效和便捷。 

图2. 三维石墨烯焊接件的结构与性能研究

  同时，焊接剂的结构，性能及成分允许根据被焊石墨烯基体结构的自主设计和调节。焊接剂的最大的电导率和机械强度分别达到了6700 S/m和7.3 MPa，接近甚至超过了大部分已报道的三维石墨烯材料。这些特性意味这项激光焊接技术具备广泛的适用性和通用性，能够实现对三维石墨烯材料的高质量修复与集成。 

图3. 通过激光焊接技术实现的具有复杂结构与功能的宏观三维石墨烯制造

  最值得一提的是，一些通过传统方法很难甚至完全无法制备的结构可以通过这项激光焊接技术轻松获得。很显然，通过对材料的焊接集成在理论上能够实现碳材料的不同成分，结构，功能在空间上的几乎任意排列组合。这为多层次、多尺度和多维度的复杂功能碳材料体系的设计与制造带来了无限的想象空间。

  原文链接：https://doi.org/10.1039/D3MH01148H