研究

科学家成功3D打印出纯度为97%的复杂石墨部件

来自莱斯大学他们开发了一种利用直接墨水书写(DIW) 3D打印制造复杂石墨结构的新方法。

以前使用石墨进行3D打印的尝试通常涉及将粉末形式的材料集成到聚合物基体中。使用基于挤压的技术,就有可能创建机械上良好的结构,但最终产生的复合材料通常只包含不到50%的石墨重量。因此,到目前为止,3D打印石墨部件还没有真正提供让纯石墨如此令人满意的热和电性能。

为了解决这个问题,莱斯大学的研究人员开发了一种胶体3D打印墨水,由石墨粉和少量粘土制成,实现了纯度高达97%的复杂DIW部件。

石墨结构通过直接墨水书写3D打印。图片来自莱斯大学。
石墨结构通过直接墨水书写3D打印。图片来自莱斯大学。

石墨:极端的矿物

石墨被认为是最有用的碳的同素异形体之一,它有许多工业应用(是的,它不仅仅是铅笔芯)。

这种材料具有层状二维原子结构,是多种高性能润滑剂的关键成分。石墨还具有优异的热稳定性和化学稳定性,这使它能够承受金属熔融坩埚和核反应堆堆芯所需的极端环境条件。此外,这种材料臭名昭著的高导电性也使其成为电池、电子触点甚至柔性电子产品的完美候选材料。

不幸的是,由于高温加工的挑战和材料本身的脆性,使用传统的合成方法来创建复杂的石墨几何零件往往是极其困难的,这是3D打印装备解决的问题。

SEM映像3D印刷石墨部分。图片来自莱斯大学。
SEM映像3D印刷石墨部分。图片来自莱斯大学。

如何3D打印97%石墨零件

通过将少量硅酸盐纳米粘土(3-10wt%)加入填充有石墨薄片的水浴中,配制了高浓缩石墨墨水。纳米粘土最终用作粘合剂,确保石墨薄片均匀地分布在所得复合油墨中。添加粘土也显着增加了材料的粘度,使其在室温下通过DIW挤出。相比之下,发现石墨墨水墨水堵塞了3D打印机的喷嘴,同时在压力下分离。

当3D打印时,纳米粘土添加剂的效果在最终的3D结构中非常明显。研究中所有打印出来的测试对象都表现出了良好的结构稳定性,尽管几何形状复杂,但它们能够完全支撑自身的重量。与纯石墨墨水相比,即使在空气干燥后,这些部件仍能保持原来的形状,吸收能量的能力也有所提高。

赖斯团队已经将其新颖的97%纯度配方用于几种石墨应用。这包括用于铸造锡的3D打印模具,用于发光二极管的石墨电路,以及能够使水达到沸点的3D打印加热元件。

一种3D打印铸造模具、一种3D打印电路、一种3D打印加热元件。图片来自莱斯大学。
一种3D打印铸造模具、一种3D打印电路、一种3D打印加热元件。图片来自莱斯大学。

该研究的更多细节可以在题为“复杂石墨结构的三维打印”。作者之一是Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat等人。

石墨及其单层形式石墨烯是3D打印扇区内外研究的主题。纽约州立大学布法罗分校研究人员最近开发了一种新的3D打印水净化石墨烯气凝胶能够进行大规模的废水处理。由类似泡沫塑料的气凝胶,格子石墨烯和两个生物启发聚合物组成,新型材料能够从饮用水中除去100%效率的饮用水中的染料,金属和有机溶剂。

在其他地方,在复旦大学工程学院,科学家们开发了一套参数3D打印石墨烯结构具有优化的导电性能。经过一系列的测试,该团队发现,尽管打印压力和喷嘴直径等因素会影响复合材料的性能,但在特定的打印速度下,它的颗粒可以按照特定的方式排列。

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特色图像显示石墨结构通过直接墨水书写3D打印。图片来自莱斯大学。

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