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全面!3D打印与气凝胶的碰撞
文章来源:本站 人气: 1205 发表时间: 2021-03-15 17:52

作为具有超低密度、低热导率、超高比表面积和吸附性能的轻质多孔纳米材料,气凝胶具有独特的物理性能,可广泛应用于保温、隔热、隔音、电子、生物医学、光学、储能、化学吸附等领域,近年来,气凝胶的社会和经济影响日益显现,从绝热到能源及生物技术应用,都是一个成熟的绝热产业。但是气凝胶存在强度低、易破裂等缺陷,其加工成型及应用面临着新的挑战。

 

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作为典型的增材制造方法,3D打印是快速成型技术,通过计算机软件控制分层物料的增加,实现三维物体的打印成型,3D技术正逐渐成为推动科技发展的重要手段。由于3D打印技术的成熟,其对其它领域的影响也在不断扩大,主要是由于它能够产生具有复杂几何形状的3D物体。自2015年首次报导3D打印气凝胶以来,实现了多种气胶的打印,并在许多应用领域得到验证,充分体现了气凝胶打印的诸多优点。

 

剑桥大学博士和国防科技大学冯军宗第一次对过去5年来印刷气凝胶这一交叉领域的研究进展进行了综述,指出了印刷气凝胶技术领域面临的挑战和未来的研究方向。

 

要点1:气凝胶的传统制备工艺及成型方法

基于传统溶胶-凝胶工艺,常规成型方法可制成微珠、连续纤维、薄片、涂层和复杂形状气凝胶。但是,由于传统模具设计方法的局限性,高精度、高复杂形状气凝胶材料的制备一直是个难题。与传统的减材加工相比,3D功能打印等增材制造技术具有更大的灵活性和更低的制造成本,可用于制造结构复杂的零件。

 

要点2:气凝胶的打印技术

打印气凝胶的制造过程涉及4个步骤:功能墨水配方、印刷、干燥和后处理过程。

2.1墨水组成

墨水按所使用的原材料可分为:

1)分子基凝胶墨水

以分子为原料,主要通过溶胶-凝胶法,由于这种油墨的流变性严重依赖于化学反应而形成的油墨,因此很难对其进行控制,目前仅开发了SiO2基、间苯二酚-甲醛基和海藻酸盐基墨水,用于打印气凝胶。

2)纳米材料基墨水

以纳米材料为原料,通过分散形成胶体的墨水,根据使用的纳米材料的构造,可以分为0D纳米粒子基础墨水,现在开发碳、SiO2TiO2ZnOCdSe/CdS等纳米粒子基础墨水的1D纳米纤维基础墨水,现在开发碳纳米管、金属纤维、氧化物纤维、纳米纤维素、芳尼龙纳米纤维等墨水的2D纳米片子基础墨水

要点3:打印气凝胶的应用

3.1热管理

气凝胶的脆性是其隔热应用的一大挑战。印刷技术能解决气凝胶隔热材料的成型问题,使其具有精细、复杂结构的材料,并可定制设计和生产,精确匹配于所需保护的物品或器件的外形。

3.2储能

打印气凝胶已被验证用于超级电容器、锂离子/金属电池、钠离子/金属电池和混合储能设备,可以解决传统气凝胶复杂结构难以小型化和缺乏紧密连接、直通且无障碍多级孔道的挑战。以超级电容器应用为例,打印气凝胶电极的比容量明显优于非打印对比样,是其1.4-12.9倍,原因在于打印形成的有序大孔结构能改善电解质的离子扩散速率。

3.3电子设备

打印气凝胶已被验证用于应变或触觉传感器、致动器、电熔断器、摩擦电纳米发电机和气体(或化学)传感器等。例如,摩擦式纳米发电机,由于打印技术增加了接触面积和柔韧性,打印气凝胶的输出电压比未打印样品高75%

3.4化学应用

3D打印可使气凝胶具有大孔设计及调节功能,优化传质过程,促进气凝胶在催化及吸附方面的应用。例如,气凝胶印花反应器在催化反应中,活性和转化率均高于原粉催化剂,但催化反应的选择性没有明显变化。

3.5生物医学

在三维打印气凝胶主要应用于生物医学领域,如组织工程,药物输送,生物传感等。在组织工程应用方面,由于打印形成的有序大孔和开孔纳米结构之间的连结,以及气凝胶本身具有较高的孔隙率,3D打印样品比非打印样品生长的组织更厚,更有利于细胞附着生长,为细胞提供了营养和氧气通道,加快了细胞副产物的代谢。

3.6光捕获应用

以光-热转换应用为例,3D技术可将气凝胶一体整合至具有精细和梯度结构要求的集光装置中,极大提高装置性能和整体可制造性。以光催化应用为例,3D打印Au/g-C3N4-海藻酸钠气凝胶比非打印样品的光催化反应效率高出1.5倍,这归因于3D打印形成的有序大孔结构能有效提高染料的扩散速率。

 

要点4:挑战与方向

打印气凝胶的未来发展仍存在诸多挑战:

4.1墨水配方与打印气凝胶设计

不足或挑战:现有墨水种类少,难于实现分子基油墨的多样化和标准化;目前对于气凝胶多级孔结构在不同应用领域还缺乏理论设计和实验验证,且胶体强度偏低。

未来研究方向:(1)溶胶前驱体的设计与合成,如打印聚合物、Al2O3ZrO2等所用的前驱体;(2)标准化墨水配方,形成商业化系列品种;(3)多级孔结构的设计,主要针对不同的应用需求,优化设计多级孔结构;(4)增强气凝胶本征强度。

 

小结:自底向上的3D打印技术是解决气凝胶加工成形的有效方法。事实上,印刷气凝胶5年前才出现,近年来,随着增材生产技术的迅速发展,克服了气凝胶材料的局限性,在这方面的研究和尝试已显示出很大的潜力。所以,有理由认为,与印刷技术相结合的新一代将意味着新一代廉价、可定制和适应性强的气凝胶的大量生产,这将赋予气凝胶新的功能并扩大其在能源、传感和生物医学等领域的应用。






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