二氧化硅氣凝膠因其超低導(dǎo)熱性和開孔結(jié)構(gòu)，在絕熱、催化、物理、環(huán)境修復(fù)、光學(xué)器件和超高速粒子捕獲等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中，絕熱材料當(dāng)屬硅膠氣凝膠最大的市場，當(dāng)空間有限時，硅膠氣凝膠是理想的材料之一。但，硅膠氣凝膠的一個致命缺點(diǎn)是其脆性。雖然纖維增強(qiáng)劑和粘合劑可以在建筑和工業(yè)絕緣的大范圍應(yīng)用中克服這一問題，但是它們的可加工性差，加上精確鑄造小物體的困難，從而限制了二氧化硅氣凝膠的小型化潛力。增材制造提供了一種小型化的有效途徑，但通常被認(rèn)為對硅膠氣凝膠是不適用的。
近日，來自瑞士聯(lián)邦建筑能源材料部件實(shí)驗(yàn)室&材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Shanyu Zhao和Wim J. Malfait等提出了一種直寫成型打印技術(shù)，用于從稀釋的二氧化硅納米顆粒懸浮液中的二氧化硅氣凝膠粉漿中創(chuàng)建微型二氧化硅氣凝膠。相關(guān)論文以題為“Additive manufacturing of silica aerogels”于08月19日發(fā)表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0
氣凝膠是一種具有高比表面積(500-1000 m2 g-1)、低密度(0.001-0.200g cm-3)的介孔溶膠凝膠材料，因其超低導(dǎo)熱性(低至12 mW m-1k-1)而被列為超級絕緣體。硅膠氣凝膠是目前研究和應(yīng)用最多的氣凝膠類型。它可批量用于工業(yè)和建筑絕緣，市場增長迅速，每年約2.2億美元。雖然氣凝膠的強(qiáng)度重量比特別高，但硅氣凝膠通常很脆，不可能通過減材加工進(jìn)行加工。石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、間苯二酚-甲醛和纖維素的增材制造氣凝膠的可行性已經(jīng)得到證實(shí)，但實(shí)驗(yàn)困難重重，而且可能并不適用于二氧化硅氣凝膠。二氧化硅顆粒是3D打印常用的添加劑，但純二氧化硅氣凝膠的增材制造方法尚未建立。
在此，研究者直接在1-戊醇基硅溶膠中通過直接墨水書（圖1a-e）寫硅膠氣凝膠粉漿(IC3100,卡伯特；粒度：4-20 μm；圖1 f)來打印純硅氣凝膠物體。由于高體積分?jǐn)?shù)的凝膠顆粒，墨水表現(xiàn)出剪切稀釋行為。因此，在打印過程中，它們很容易通過噴嘴流動，但在打印后它們的粘度迅速增加，以確保被打印的物體保持其形狀。印刷后，硅溶膠在氨氣中形成凝膠，進(jìn)而后續(xù)處理成為氣凝膠。印刷的氣凝膠物體是純二氧化硅，并保持典型的二氧化硅氣凝膠的高比表面積(751 m2 g-1)和超低導(dǎo)熱性(15.9mW m-1k-1)。此外，研究者還演示了功能納米顆粒可以很容易地結(jié)合在一起。打印的二氧化硅氣凝膠對象可以用于熱管理，作為小型氣體泵和降解揮發(fā)性有機(jī)化合物，驗(yàn)證了該方案的潛力。
圖1 直接墨水書寫法生產(chǎn)二氧化硅氣凝膠的增材制造。
圖2 3D打印的對象及各自的微觀結(jié)構(gòu)和選擇的屬性。
圖3 熱管理
圖4 VOC降解的同時光驅(qū)動熱蒸騰氣泵。
綜上所述，研究者開發(fā)的增材制造方案，生產(chǎn)的二氧化硅氣凝膠具有高精度和形狀逼真性，包括附加的功能和優(yōu)異的材料性能的靈活性，最顯著的是其超低導(dǎo)熱性和高中孔隙度。3D打印工藝避免了減材制造的問題，并為硅膠氣凝膠開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。這將使二氧化硅氣凝膠在電、磁、光學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，并可將氣凝膠相(及其可調(diào)功能)集成到先進(jìn)的多材料結(jié)構(gòu)中。
