瑞士研究人员创新性提出一种3D打印方法制备小微型气凝胶器件

气凝胶具有超低的导热性以及开孔的结构而广泛用作绝缘材料。但气凝胶脆性比较大,使得制备小微型器件比较困难。来自瑞士的学者突破思维定势,让3D打印不再设限,创新的提出一种3D打印的办法来制备小微型气凝胶器件。打印时将气凝胶粉末的浆料放置于稀释的气凝胶纳米颗粒的悬浮液(SOL)中实现的。不仅成功的实现了打印,其性能还没有丧失。这一创新成果发表在近日发表的顶刊《Nature》上。

由于具有超低的导热和开孔的结构,气凝胶广泛的用作热绝缘材料、催化材料、物理材料、环境修复、光学器件以及超高速粒子捕获等。对气凝胶来说,用作导热材料是以上应用领域中的最大市场。尤其是在空间受到限制的时候,气凝胶是最为理想的材料。唯一比较遗憾的就是气凝胶材料的脆性,限制了气凝胶更为广泛的应用。在应用于建筑和工业绝缘这种大面积应用背景的场合下,采用纤维增强和粘结剂填充的手段可以克服气凝胶脆性大的问题。但依然存在可加工性能差的问题,同时还存在采用精密铸造制造小体积的制品时比较困难的问题,从而限制了气凝胶作为小型化器件的应用。增材制造技术可以提供一种制造小型化制品的有效制造途径,但经常被认为对气凝胶来说是不行的。

墨水呈现出剪切减薄行为,这是因为凝胶颗粒的体积分数大的原因。于是,墨水就可以非常容易地从喷嘴流出,从而实现打印。但它的粘度在打印后需要迅速地增加变大,以确保打印的物体能够维持其打印出来的形状。打印之后,硅溶胶在氨水的气氛环境下胶化,以确保随后的气凝胶在加工过程可以持续进行下去。打印出来的气凝胶制品由纯的氧化硅所组成,并且可以保持高的比表面积(751平方米每克)和超低的热导性(15.9毫瓦(特)每米每K),同样是气凝胶所特有的性质。

而且,研究人员同时还展示了采用3D打印气凝胶的功能性颗粒,制备出用于热管理的器件、小型气体泵、降解挥发性有机化合物 ,从而显示出该打印技术的巨大的潜力。

综上所述,瑞士学者所提出来的打破传统思维的3D打印的研究方案,不仅实现了气凝胶的成功打印,同时还使得打印出来的气凝胶制品精度高,惟妙惟肖,而且其所具有的独特的功能和独具一格的材料的性能也继续保有。尤其是作为隔热性能的绝缘材料和打印出来的高的孔隙率,没有在打印过程中丧失,这一点至关重要。同时,3D打印避免了减材成形的弊端,为气凝胶的应用打开了广阔的新天地。这将充分发挥气凝胶在电子学、光学、化学、医疗等场合的独特应用更容易得到实现,同时还将促使气凝胶的独特的功能和别具一格的性能可以融合到多材料结构的制造中。[江苏激光产业技术创新战略联盟]

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