《Nature》3D列印不設限,打破思維定勢!矽膠氣凝膠的增材製造

2020-12-22 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：氣凝膠具有超低的導熱性開孔的結構而廣泛用作絕緣材料。但氣凝膠脆性比較大，使得製備小微型器件比較困難。來自瑞士的學者突破思維定勢，創新的提出一種3D 列印的辦法來製備小微型的氣凝膠器件。不僅成功的實現了列印，其性能還沒有喪失。這一創新成果發表在近日發表的頂刊《Nature》上。

圖1 3Ｄ列印氣凝膠的實物照片及其疏水性實驗的結果

圖解：a–c, 3D列印的類似荷花形狀的氣凝膠實物照片； (a) 證實列印的氣凝膠荷花是非常輕質的； (b)列印的氣凝膠的超疏水照片； d, 採用水和1-戊醇進行潤溼角測量的結果

由於具有超低的導熱和開孔的結構，氣凝膠廣泛的用作熱絕緣材料、催化材料、物理材料、環境修復、光學器件以及超高速粒子捕獲等。於氣凝膠來說，用作導熱材料是以上應用領域中的最大市場。尤其是在空間受到限制的時候，氣凝膠是最為理想的材料。唯一比較遺憾的就是氣凝膠材料的脆性，限制了氣凝膠更為廣泛的應用。在應用於建築和工業絕緣這種大面積應用背景的場合下，採用纖維增強和粘結劑填充的手段可以克服氣凝膠脆性大的問題。但依然存在可加工性能差，同時還存在採用精密鑄造製造小體積的製品時比較困難的問題，從而限制了氣凝膠作為小型化器件的應用。增材製造技術可以提供一種製造小型化製品的有效製造途徑，但經常被認為對氣凝膠來說是不行的。

圖２採用墨水直接列印氣凝膠

圖解：ａ　直接墨水列印技術列印氣凝膠的示意圖，其中，列印墨水，要麼是整潔（藍色）或這是進行功能化後的，如，MnO2 納米顆粒（金色），靠壓縮空氣通過噴嘴來實現。列印的物體通過氣體為基礎的ＰＨ值的變化來實現膠化，在經過超臨界的ＣＯ２中來實現乾燥。ｂ，採用墨水　ＳＰ２.５列印的具有荷花形狀的氣凝膠，列印參數：通過內徑為４１０微米的錐形噴嘴，流動速度為15 mm s1。列印的荷花具有３８層，列印花費時間２６ｍｉｎ；ｃ－ｅｂ中凝固前（ｃ）的氣凝膠的圖像；ｄ，氨蒸汽誘導凝膠化 後的圖像，ｅ乾燥後的圖像，ｆ　用於氣凝膠的顆粒的分布；ｇ不同模式隨的剪切減薄行為；ｈ　存儲和消失模量Ｖｓ不同墨水的剪切應力

近日，來自瑞士的科學家打破思維定勢，讓３D 列印不再設限，利用３D列印的方法來製造微型的氣凝膠部件，列印時將氣凝膠粉末的漿料放置於稀釋的氣凝膠納米顆粒的懸浮液（ＳＯＬ）中實現的。這一成果發表在近日發表的頂刊《Ｎａｔｕｒｅ》上。

圖３　３D列印的對象及其相應的顯微結構以及所測量出來的部分屬性

墨水呈現出剪切減薄行為 ，這是因為凝膠顆粒的體積分數大的原因。於是，墨水就可以非常容易地從噴嘴流出，從而實現列印。但它的粘度在列印後需要迅速地增加變大，以確保列印的物體能夠維持其列印出來的形狀。列印之後，矽溶膠在氨水的氣氛環境下膠化，以確保隨後的氣凝膠加工過程可以持續進行下去。列印出來的氣凝膠製品由純的氧化矽所組成，並且可以保持高的比表面積（７５１平方米每克）和超低的熱導性（１５.９毫瓦(特)每米每Ｋ），

採用3D列印列印氣凝膠所製備出來的熱管理器件

（此處插入視頻）a, 設計和列印出來的凝膠陣列 (墨水為 SP1.6, 210-μm的錐形噴嘴, 3.5 min at 15 mm s1; Supplementary Video 4).每一物體的厚度在途中也給標出了，尺度為mm. b, 光學照片； c, 經過至少0.5h的熱平衡（熱的平板上進行加熱）之後使用紅外攝像拍攝的照片； d, 經過至少0.5h的熱平衡（在冰塊上）使用紅外攝像拍攝到的照片，物體的厚度（b–d）的在圖中也給標示出來了， e, i, 列印的氣凝膠部件的草圖 (e)和實物圖 (i) (410-μm錐型噴嘴, 2 min at 12 mm s1). f–h, j–l, 在使用電壓調節器 (RG2; f, j)的條件下電路板在槽子或者隔熱器的前提下的照片，實物圖 (f–h) 和紅外攝像得到的圖片 (j–l) 。採用Al帶作為熱槽 (g, k), 以及同時居於哦熱槽和隔熱器的條件下的結果r (h, l).

同樣是氣凝膠所特有的性質。而且，研究人員同時還展示了採用３D列印氣凝膠的功能性顆粒，製備出用於熱管理的器件、小型氣體泵、降解揮發性有機化合物 ，從而顯示出該列印技術的巨大的潛力。　

VOC降解的同時實現光碟機動的熱發氣泵

X射線影像學分析結果

圖11 保護溫敏電容器 不受熱的傷害

圖解：a–c, 沒有進行保護的結果 (T/C, T-型熱電偶t） a), 聚苯乙烯泡沫覆蓋的器件 (XPS; b) 和列印的氣凝膠進行覆蓋的器件 (c). d, STL file. e, 3D列印的氣凝膠蓋帽； f, 在接觸筒形加熱器後溫度的變化

綜上所述，瑞士學者所提出來的打破傳統思維的3D列印的研究方案，不僅實現了氣凝膠的成功列印，同時還使得列印出來的氣凝膠製品精度高，惟妙惟肖，而且其所具有的獨特的功能和獨具一格的材料的性能也繼續保有。尤其是作為隔熱性能的絕緣材料和列印出來的高的孔隙率，沒有在列印過程中喪失，這一點至關重要。同時，3D列印避免了減材成形的弊端，為氣凝膠的應用打開了廣闊的新天地。這將充分發揮 氣凝膠在電子學、光學、化學、醫療等場合的獨特應用更容易得到實現，同時還將促使氣凝膠的獨特的功能和別具一格的性能可以融合到多材料結構的製造中。

文章來源：Zhao, S., Siqueira, G., Drdova, S. et al. Additive manufacturing of silica aerogels. Nature 584, 387–392 (2020).

相關焦點

  • Part2-2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展
    作為連接增材製造領域國內外業內優質資源的平臺，3D科學谷與AMPOWER合作面向全球市場的增材製造年度全球研發市場報告，本期，3D科學谷選取了填寫了網上問卷的國內部分企業（包括設備、軟體、材料領域）的研發情況與行業分享第二期的2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展情況。
  • 2020中國增材製造3D列印十大熱點新聞
    二.2020年7月6日,人社部聯合國家市場監管總局、國家統計局正式發布9個新職業,包括增材製造設備操作員。增材製造(3D列印)設備操作員L(6-20-99-00)定義:從事增材製造設備安裝、調試、維修和保養,及生產操作和運行管理的人員。
  • 3D列印加工汽車零件,通用成立3D列印增材製造中心
    3D列印經過不斷的發展，應用的行業領域越來越多，而且3D列印的應用不在局限於列印模型樣本了，隨著3D列印材料的發展，和列印工藝的進步，3D列印已經開始應用到工業製造中，其他一個重要的方向就是加工汽車零件，越來越多的汽車廠家開始用3D列印加工零件，下面悟空列印坊3D列印就來為大家介紹下通用成立增材製造中心，用於加工汽車零件。
  • 布局分布式生產,貝克休斯設立3D列印-增材製造服務業務
    與此相關，很多大型企業採取了為外部提供3D列印-增材製造服務的方式來迎接製造走向離散化的趨勢機遇。這其中，包括美國鋁業公司（Alcoa）分拆出來的Arconic，該公司已經與空中巴士籤署多年合作研究協議，旨在進一步利用金屬3D列印技術生產和驗證大型飛機零部件。
  • 北航新增一個增材製造本科專業;999元起,先臨三維推出3D列印運動鞋
    關注我獲得更多精彩內容持續關注國內外3D列印行業動態，讓你了解多一點！1.澳大利亞磨床製造商開發出增減材混合製造設備總部位於墨爾本的CNC磨床製造商ANCA，已經開發出一種增減材混合3D列印系統，用於製造定製設計的工具。
  • 北碚區攜手正和東泰打造3D列印增材製造智慧生態城
    華龍網12月20日19時10分訊（記者 劉岱松 特約通訊員 秦廷富）12月19日，北碚區在改革開放40周年慶典第二天迎來喜事，重慶市北碚區蔡家組團（同興工業園區）管委會與深圳市正和東泰控股有限公司就3D列印增材製造智慧生態城項目正式籤訂戰略合作協議。
  • 蘭州化物所實現超高強韌水凝膠3D列印
    目前，無論是化學交聯還是物理交聯3D列印水凝膠，因所製備的3D列印結構體在力學性能方面表現不佳致使其應用嚴重受限。因此，高強韌水凝膠3D列印對滿足實際應用需求具有重要意義，是增材製造領域具有挑戰的前沿研究。　　中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王曉龍帶領的團隊，通過構築雙物理交聯網絡策略實現了超高強韌水凝膠3D列印。
  • 數字孿生產業的完美搭檔-增材製造
    基於增材思維的產品是整體化設計、一體成形，在產品減重的同時，性能和可靠性也大大提升。整體化設計減少了供應商和庫存，由原來的零部件庫存管理變為原材料庫存管理，隨需製造。同時原材料管理也變得更簡單，只需儲備基本的金屬元素粉末和高分子絲材，各種合金材料可以在列印過程中通過控制配比實現。
  • Science發表3D列印最新成果!可擴展的亞微米級增材製造
    雙光子光刻技術（Two-photon lithography (TPL)）為基礎的亞微米級別的增材製造技術是有望填補這一空白的理想技術。然而，TPL技術的點點列印的特點在應用時存在列印速度過慢的弊端。如果嘗試使用並行列印的辦法，要麼存在亞微米的列印精度不能保證的後果，要麼不能滿足列印複雜的結構。
  • 保時捷開發3D列印發動機活塞,建立高應力驅動部件增材製造裡程碑
    近日，保時捷發布了通過粉末床選區雷射熔化3D列印技術為911 GT2 RS雙渦輪增壓發動機生產的活塞。在這一應用中，通過面向增材製造的設計實現輕量化不是唯一的目的，保時捷還通過優化活塞的設計使發動機獲得更強動力與更高效率。
  • 史玉升教授:4D列印智能構件的增材製造技術及應用領域
    如果你以為3D列印還沒有搞明白卻去搞什麼4D列印，並對其嗤之以鼻，那一定小看了這個概念。4D列印技術自2013年提出以來就引起了學術和工業界的廣泛關注，它屬於智能構件的增材製造技術，是在材料、機械、力學、信息等學科高度交叉融合基礎上產生的顛覆性製造技術。
  • 3D列印原理是什麼和能列印什麼?卻被認為能促成第三次工業革命
    ，這麼重的一個構件，下一步還需要用數控車床，進一步的切削，削掉多餘的材料，這就導致浪費很多的原材料，而用3d列印大概可以節約91%的原材料，3d列印技術可以列印飛機機翼緣，是不是和大家想像的有點不一樣？
  • 了解什麼是3D列印
    經常會看到報導，3D列印汽車，列印巧克力，列印房子，甚至於列印器官，那什麼是3D列印？1D是線，2D是面，3D是體，3D列印就是想辦法列印出立體的結構。還有一個以面為成型的工藝是疊成製造或者叫LOM工藝，也非常容易理解，就是用裁切機，將薄膜材料比如說紙切割成土豆片的形狀，然後再通過膠水等，將一片片的個性化的土豆片再粘合起來，同樣也可以構成這個實體。那用土豆絲那能不能組裝三維實體呢？
  • 2020年,這12個3D列印應用領域有前途
    這是一個總結該領域所有最新進展的機會，無論是3D列印植入物的大規模採用，還是生物列印方法和材料的迅速發展。去年3dpbm與GE，OPM合作舉辦了一次非常成功的有關骨科植入物的最新技術和市場的網絡研討會。
  • 增材製造新浪潮來臨 日本企業將繼續崛起!
    總的印象一直是，日本企業通常由老一輩傳統思想的高管經營，在增材製造能夠成為一個足夠安全的賭注之前，他們不願意把賭注押在製造業 　　多年來，在日本，幾乎似乎只有松浦一家公司在做增材製造。消費類增材製造的熱潮只對日本略有觸動，一些新興的FabLabs和在線增材製造服務商Kabuku，試圖為西方新興的Shapeways、iMaterialise和Sculpteo提供一個替代方案，但這個項目從未真正起飛。
  • 你知道什麼是3D列印技術嗎?它到底有多牛?發展前景又如何?
    3D（3DP）列印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體的技術。簡單的說就是如果把一件物品剖成極多的薄層，3D列印就是一層一層地把薄層列印出來，上一層覆蓋在下一層上，並與之結合在一起，直到物件列印成形。 這是官方給出的解釋。好吧，你可能不太明白。我來簡單的給你解釋下。
  • 南科大:金、銀、銅等典型高反射材料的雷射增材製造
    雷射增材製造金銀材料可用於藝術品、首飾、手錶等的定製化製造。銅是傳統工業的重要材料，具有良好的導電性和導熱性；銅的雷射增材製造材料被廣泛用於電子設備、熱管理系統、交通運輸、工業製造等領域。金、銀、銅的雷射增材製造具有廣闊的應用前景，但也面臨著重要問題:金、銀、銅材料對雷射的吸收率很低。
  • 金屬3D列印技術變革火箭發動機製造!軍火巨頭洛克希德·馬丁44億...
    南極熊導讀：截至2020年，多數火箭製造商，特別是火箭發動機，都已經開始應用金屬3D列印技術來生產零部件，甚至還有的更徹底——整個火箭都是3D列印的。世界最強大的火箭發動機廠商之一Aerojet也不例外。
  • 一文了解2020年3D列印材料市場規模與發展趨勢 金屬3D列印替代大
    金屬3D列印材料市場前景廣闊 國內與國外差距較大眾所周知，塑料材料一直朝著高強度方向發展，通過增強塑料強度用來直接替換金屬用於各類複雜構件，既便宜又質輕，從而使塑料材料在3d列印製造中被廣泛應用。例如，通過3d列印技術製造工藝複雜的智能材料、光電高分子材料、光熱高分子材料、光伏高分子材料及儲能高分子材料等新材料;利用生物塑料的生物相容性向醫學人體組織發展，3d列印在細胞、軟組織、器官及骨骼等方面仍具有巨大應用空間，尤其在組織工程應用中具有獨特優勢。
  • VICTREX AM PAEK絲材:威格斯專為增材製造而優化
    現有的PEEK材料雖然有一些增材製造的應用，但材料本身是為機加工和注塑等傳統的製造方法而設計的。 中國的遠鑄智能INTAMSYS成為全球首家可提供威格斯 PAEK新材料的3D列印設備供應商，這是一家全球領先的提供高性能材料3D列印和工業直接增材製造解決方案的高科技公司。