激光诱导石墨烯（LIG）自2014年问世以来，凭借其优异的热学、电学、力学和化学性能，在超级电容器、物理传感器及生物化学传感器等领域展现出广阔的应用前景。其生产制备常采用单步激光刻划技术，在常温条件下通过激光与芳香族前驱体材料的相互作用，激光能量引发基底分子晶格振动，促使前驱体中的C─O、C═O和C─N键断裂，释放CO、H₂及CxHyNz等气态产物，最终形成sp²杂化石墨碳结构。这种独特的3D多孔结构兼具石墨烯的高导电/导热特性，赋予LIG卓越的传感与储能性能。然而，针对聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚醚酮（PEEK）等高性能增材制造（AM）材料的LIG研究仍存在空白。这类材料以其突出的弹性模量、抗拉强度、化学惰性和热稳定性在工程领域占据重要地位，因此，探索其LIG化对推动功能性电子器件的增材制造具有战略意义。
针对这一挑战，南加州大学团队创新性地采用波长为450 nm蓝色激光系统（功率0.1–1.5 W，脉宽1–8 ms），通过单步激光刻写工艺，在纯PEI/PEEK及其3D打印件表面成功制备出高性能LIG材料。扫描电镜（SEM）表征显示，所得LIG呈现致密的多层石墨烯形貌，且氮掺杂浓度显著优于聚酰亚胺等常规前驱体。拉曼光谱证实其具有高石墨化度与氮掺杂水平，四点探针测试结果显示，测得最低片电阻达1.02 Ω sq⁻¹（电导率45.4 S cm⁻¹），刷新了现有LIG性能纪录。该LIG材料的高导电性归因于其低孔隙率、高碳化程度和丰富的氮掺杂。研究还发现，LIG片电阻与激光能量密度高度相关（R² ≤ 0.94），并建立了新的经验模型加以描述。研究进一步展示了LIG-PEI/PEEK复合结构的双功能应用：作为电加热器时表现出高效电热转换特性（传热系数高达457 W/m²·K，热响应时间小于25秒）；作为应变传感器则兼具高灵敏度和循环稳定性（变异系数CV ≤ 0.013）。此外，3D打印的Ultem 9085展现出良好线性和一致性，验证了LIG器件可通过低功率激光在高性能结构上实现多功能集成。该成果首次证实通过激光参数-材料响应的协同调控，可直接在高性能聚合物基体中构建具有器件级性能的LIG功能单元，为航空航天柔性电子、植入式医疗器件等领域的嵌入式智能系统制造提供了新范式。
相关研究成果以题为“Additive and Laser Manufacturing for Multifunctional Electronics on High-Performance Polymers”的论文发表在《Small Science》上。
图1. A) 本研究与其他文献中激光诱导石墨烯（LIG）的方块电阻、激光功率、激光波长及前驱体材料的对比分析；B) 嵌入式LIG电子器件的增材与激光协同制造工艺示意图；C) 3D打印PEI与PEEK样品的制备方法示意图及D) 蓝激光刻写LIG电子器件的多尺度结构演化图。
图2. A) LIG-聚合物界面伪彩色处理的侧视SEM图像；B) LIG表面俯视SEM图像；C) LIG表面裂隙的放大俯视SEM图像；D) LIG表层与内部原子组成的EDS平均成分分析；E) 不同激光功率刻写LIG的拉曼光谱。
图3. A) 不同激光功率与脉冲时长组合在各聚合物表面刻写的LIG；B) 各LIG样品平均方块电阻热力图； PEI与PEEK基LIG最低方块电阻、激光波长及激光功率与其他研究的对比；D) 方块电阻随峰值激光能量密度的变化关系；E) 在最大测试激光能量密度下，计算得到的各前驱体制备LIG的电导率值。
图4. A) 3D打印Ultem 1010基板上刻制的LIG蛇形加热器；B) 纯PEEK、C) 3D打印PEEK、D) 纯PEI、E) 3D打印Ultem 1010及F) 3D打印Ultem 9085在示不同电压（持续200秒）下各基板LIG加热器温度分布的混合红外-可见光图像；G) 200秒稳态温度与电压关系曲线；H) 30V方波电压激励下的温度-时间响应曲线；I) 各前驱体制备LIG加热器的热响应系数。
