二氧化硅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(huán)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筑隔熱設計方面,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,在制備小型二氧化硅氣凝膠時仍然受到限制。增材制造為小型化提供了思路,但一直被認為不適用于制備二氧化硅氣凝膠。近日,瑞士聯(lián)邦材料實驗室的趙善宇研究員、Wim J. Malfait研究員合作利用3D打印技術將二氧化硅氣凝膠顆粒與二氧化硅溶膠結合,首次成功制備出微型二氧化硅氣凝膠。該氣凝膠只含二氧化硅,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(fā)表在《Nature》上。
【增材制造的過程】
作者將粒徑尺寸為4–20?μm的二氧化硅氣凝膠顆粒加入到二氧化硅/1-戊醇的溶膠中,形成漿料,然后通過3D打印制備了小型的二氧化硅氣凝膠材料。戊醇的蒸氣壓較?。?0?oC下是水的1/18),避免了氣凝膠在干燥過程中表面的破壞。在膠體顆粒含量超過40 vol%時,墨水表現(xiàn)出了剪切稀化的流變行為,能夠保證3D打印過程中順利書寫,且書寫后由于剪切力消失,打印的形狀能夠完全保持下來。打印之后,經過氨氣和超臨界干燥的過程就可以得到二氧化硅氣凝膠的成品。
【二氧化硅氣凝膠的形貌】
作者通過控制可以制備出不同結構的二氧化硅氣凝膠,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(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
【氣凝膠在熱管理方面的應用】
隨后,作者制備了不同尺寸和厚度的二氧化硅氣凝膠,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,將其打印成一定形狀用于隔絕電路板的熱量,其表面溫度比同厚度下的商用材料低12 ℃。展現(xiàn)出在電子器件領域熱管理方面良好的應用前景。
【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,制備出具有優(yōu)異蒸騰氣泵性能的功能氣凝膠。該氣凝膠表現(xiàn)出了極好的吸附能力,并且在光催化條件下,能將有害氣體(如甲苯等)有效分解。
【總結】作者利用增材制造首次實現(xiàn)了對于小型二氧化硅氣凝膠的精確制備。該氣凝膠表現(xiàn)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(fā)展,其在電子器件的熱管理方面表現(xiàn)出極好的應用價值。同時,通過調控原料組分,該氣凝膠有望用于電、磁、化學和醫(yī)療等眾多領域。
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