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加法制造二氧化硅气凝胶!3D打印绝缘、热管理和光驱性材料!

发布来源:廊坊美尚瑞保温材料有限公司  发布日期: 2022-12-09  访问量:105

二氧化硅是一种超低导热性和开孔结构的材料,广泛应用于热绝缘、催化、物理、环境改善、光学设备和超高速粒子捕获等领域。二氧化硅气凝胶是迄今为止研究和应用较广泛的气凝胶类型。虽然气凝胶的强度重量比很高,但二氧化硅气凝胶通常很脆,不能通过减法加工。纤维增强材料和粘合剂可用于克服问题,但机械加工差,铸造精度小,难度大,限制了二氧化硅气凝胶的小型应用潜力。较近,瑞士联邦材料科技实验室Wim J.Malfait团队提出了直接用墨水书写的协议,直接用二氧化硅气凝胶粉(图1f)墨水直接书写浆液(图1)a–e),打印二氧化硅气凝胶,产生微型二氧化硅气凝胶物体。由于凝胶颗粒体积分数高(至少40%),油墨表现为剪切稀化(图1g,h)。墨水直径约10μm二氧化硅纳米颗粒的直径约为10 nm。在打印过程中,由于剪切变薄,油墨很容易流过喷嘴,但由于粘度在没有剪切的情况下迅速增加,打印后仍保持其形状。印刷物体的细丝和喷嘴直径低至100μm。在足够高的压力下工作,打印直径越小。硅溶胶印刷后在氨中凝胶,然后加工成气凝胶。在超临界CO去除溶剂前,印刷凝胶可疏水干燥。印刷的二氧化硅气凝胶物体比表面积高(751m2g-1)和超低导热率(15.9 mW m-1K-1)热管理可用作热绝缘体和微型气泵,并降解挥发性有机化合物。结果以Additive nufacturing of silica aerogels在期刊上发表题目《Nature》上

图1:二氧化硅气凝胶是通过直接书写制成的。a,直接用墨水书写二氧化硅气凝胶的方案。或使用纯墨(蓝色)MnO 通过微喷嘴气动印刷2纳米通过微喷嘴气动印刷。b,通过内径为410μm ,流量为15 mm/s圆锥喷嘴来自油墨SP2.5印刷的硅胶3D莲花。c – e,b凝固前(c),氨诱导的凝胶后(d)和干燥后(e)水凝胶照片。f,二氧化硅气凝胶的粒度分布。g,剪切稀化不同油墨的行为。h,储能不同的油墨(G ';)和损失(G ″)模量与剪切应力的关系。

3D打印二氧化硅二氧化硅

作者具有高保真度和精度(图2)a–c,e)各种气凝胶物体,包括蜂窝和3D晶格及多层连续膜。印刷长丝保留明直径(如327)±6μm)圆形横截面。油墨的流变性可适用于悬垂大、跨度大的开放式结构,粘度高(图2d);低粘度使长丝融合成连续无缝膜(图2)e)。低密度气凝胶基质嵌入二氧化硅溶胶中。这些更致密的晶粒(图2f–i)形成的互锁颗粒是直接接触颗粒的(图2)j–l)。

图2:3D印刷物体,其微观结构和选定特性。a,10层蜂窝,410层蜂窝μm圆锥形喷嘴。b,格子立方体33层。c,各种3D图案。d,电子显微镜晶格扫描(SEM)图像。e,多层连续膜。f,印刷长丝的外表面。g,两个细丝之间的界面。H,嵌入低密度气凝胶基质(浅灰色)中的互锁气凝胶颗粒(深灰色),以g表示橙色框架区域的放大倍数。i,两个气凝胶相是h中橙色框区域的放大倍率。j,气凝胶灯丝断层扫描切片。k,橙色框区域的3D体积渲染。l,x – y切片。m,在77 K下的N 吸附等温线。n,孔径分布的Barrett–Joyner–Halenda( H)分析。o,热重分析。

印刷物由疏水二氧化硅凝胶组成,溶剂可完全冲洗粘度调节剂。高密度和低密度气凝胶是连接二氧化硅颗粒和高介孔率的网络(图2i)。氮吸附等温线类似于二氧化硅气凝胶粉末原料的印刷品。比表面积从697 m2g-1增加到751m2g-1.平均孔径为11.8 nm增加到12.6 nm(图2m,n)。高堆积密度(0.18±0.02 g cm-3)与整个物体中低密度二氧化硅气凝胶的生长有关。中孔体积大(3.13 cm3g-1)限制气相传导。印刷后的气凝胶为25°C热导率为15.9 mW m-1K-1.远低于静态空气的热导率、常规绝缘材料和到目前为止报告的任何3D打印物体。与二氧化硅气凝胶粉末原料相比,印刷后的气凝胶具有更高的热稳定性和机械加工性(图2)o)。

二氧化硅气凝胶的应用

为了演示二氧化硅气凝胶的绝缘应用,作者在基材上打印了尺寸和厚度可调的气凝胶(图3)a,b)。当放置在加热板(150°C)或冰块(-20°C)热成像显示温度变化与气凝胶绝缘子的厚度有关(图3)c,d)。二氧化硅气凝胶的超低导热性和复杂几何形状,结合适当放置的导热体和散热器,为植入物、可穿戴设备、微机电系统、智能手机、光学设备等热管理提供了新的机遇。二氧化硅气凝胶也可用于源处隔离热量的热管理。作者将印刷的气凝胶绝缘盖与散热器结合起来,可以减少电路板上的局部热点,安全接触加热部件(图3e–l)。结果表明,热敏组件可以得到保护。接触热电容器的局部温度仅为36°C,没有保护层的电容器局部温度为75°C,48顶帽子由相同厚度的传统绝缘子制成°C 。

图3:热管理。a,凝胶阵列设计及3D打印。b,光学图像。c,平衡0.5小时以上后放在加热板上的红外图像。d,在冰块上平衡0.5小时以上时的红外图像。e,i,打印的气凝胶成分草图(e)和照片(i)。f – h,j – l,电路板在稳压器上既不沉也不绝缘的照片(f – h)和红外图像(j – l),铝条是散热器(g,k),同时有散热器和绝缘体(h,l)。

二氧化硅气凝胶的另一种应用是使用气凝胶膜作为热蒸发气泵。当热梯度应用于毛细管时,其直径接近气体分子的平均自由长度的热蒸腾产生气流(图4A)。由于孔体积大,导热系数低,二氧化硅气凝胶成为一种Knudsen理想的泵送膜材料可以保持热梯度。然后,作者印刷了一层薄薄的二氧化硅气凝胶膜,其顶层包括斜锰矿MnO2微球(图4b-e)。光辐射后,膜呈黑色MnO2侧温度升高,从而在膜上自动形成热蒸发驱动的气流(图4f),挥发性有机化合物(VOC)光热催化降解(图4)g)。

图4:同时光驱热蒸发气泵VOC降解。a,热蒸腾作用。温度梯度会导致气体分子从中孔膜的冷(蓝)侧移到热(红)侧。b,双层二氧化硅气凝胶膜。c,两种墨水之间的界面SEM图像。d,c中橙色框架区域的放大图显示了二氧化硅凝胶MnO 2分布。e,d中橙色框区域的放大图显示MnO 2颗粒。f,光驱性能。g,甲苯在热蒸腾过程中的光催化降解。

结论

作者提出的添加剂制造方法可生产高精度、高形状、高保真度的二氧化硅气凝胶物体,具有其他功能和优良的材料特性,特别是超低导热性和高介孔性。3D为二氧化硅气凝胶开辟了新的应用领域,避免了减法制造的问题。作者认为,对于保温材料,添加剂制造将实现微型应用(如便携式设备和消费电子产品),从而增加工业和建筑保温材料中现有的二氧化硅凝胶市场。此外,颗粒或聚合物的官能可以很容易地结合到油墨中,以生产具有空间变化功能的物体。这使得二氧化硅气凝胶在电气、磁性、光学、化学学、化学和医学应用潜力,也可以将气凝胶集成到先进的多材料结构中。


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