《Nature》:實現「不可能」!3D列印微型二氧化矽氣凝膠

二氧化矽氣凝膠具有極低的熱導率和其獨特的開孔結構，在隔熱、催化、物理、環境修復、光學設備和超高速粒子捕獲等方面有著廣泛的應用。它的一個主要缺點是較脆。雖然在一些體積較大的應用如建築隔熱設計方面，可以利用纖維增強或者膠黏劑的方法解決較脆的問題。但是，在製備小型二氧化矽氣凝膠時仍然受到限制。增材製造為小型化提供了思路，但一直被認為不適用於製備二氧化矽氣凝膠。近日，瑞士聯邦材料實驗室的趙善宇研究員、Wim J. Malfait研究員合作利用3D列印技術將二氧化矽氣凝膠顆粒與二氧化矽溶膠結合，首次成功製備出微型二氧化矽氣凝膠。該氣凝膠只含二氧化矽，且比表面積高達751 m2/g，熱導率僅為15.9 mW/(m·K)。該研究以題為「Additive manufacturing of silica aerogels」發表在《Nature》上。

【增材製造的過程】

作者將粒徑尺寸為4–20 μm的二氧化矽氣凝膠顆粒加入到二氧化矽/1-戊醇的溶膠中，形成漿料，然後通過3D列印製備了小型的二氧化矽氣凝膠材料。戊醇的蒸氣壓較小（20 oC下是水的1/18），避免了氣凝膠在乾燥過程中表面的破壞。在膠體顆粒含量超過40 vol%時，墨水錶現出了剪切稀化的流變行為，能夠保證3D列印過程中順利書寫，且書寫後由於剪切力消失，列印的形狀能夠完全保持下來。列印之後，經過氨氣和超臨界乾燥的過程就可以得到二氧化矽氣凝膠的成品。

圖1 增材製造製備二氧化矽氣凝膠的過程示意圖

【二氧化矽氣凝膠的形貌】

作者通過控制可以製備出不同結構的二氧化矽氣凝膠，如圖2所示。而通過控制墨水的粘度可以控制氣凝膠內部的氣孔大小。內部的形貌顯示出了互鎖的結構。氮氣吸附測試結果表明，氣凝膠的比表面積為697-751 m2/g，孔徑為11.8-12.6 nm。室溫下的熱導率僅為15.9 mW/(m·K)。此外，更有意思的是，得到的氣凝膠比氣凝膠顆粒原料具有更優異的熱穩定性。

圖2 二氧化矽氣凝膠的微觀結構、氣體吸附性能和熱穩定性

【氣凝膠在熱管理方面的應用】

隨後，作者製備了不同尺寸和厚度的二氧化矽氣凝膠，研究了其在熱管理方面的應用。結果表明，無論放置在150 ℃還是-20 ℃的基板下，氣凝膠的厚度越大，其表面與基板的溫差也越大。同時，將其列印成一定形狀用於隔絕電路板的熱量，其表面溫度比同厚度下的商用材料低12 ℃。展現出在電子器件領域熱管理方面良好的應用前景。

圖3 二氧化矽氣凝膠的熱管理應用

【氣凝膠在氣體吸附和分解方面的應用】

此外，作者還將二氧化錳加入墨水中，製備出具有優異蒸騰氣泵性能的功能氣凝膠。該氣凝膠表現出了極好的吸附能力，並且在光催化條件下，能將有害氣體（如甲苯等）有效分解。

圖4 氣凝膠在氣體吸附和分解中的應用

【總結】作者利用增材製造首次實現了對於小型二氧化矽氣凝膠的精確製備。該氣凝膠表現出了極高的比表面積和極低的熱導率。隨著電子器件向小型化和集成化的快速發展，其在電子器件的熱管理方面表現出極好的應用價值。同時，通過調控原料組分，該氣凝膠有望用於電、磁、化學和醫療等眾多領域。

來源：高分子科學前沿

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