《Nature》:实现“不可能”!3D打印微型二氧化硅气凝胶

二氧化硅气凝胶具有极低的热导率和其独特的开孔结构,在隔热、催化、物理、环境修复、光学设备和超高速粒子捕获等方面有着广泛的应用。它的一个主要缺点是较脆。虽然在一些体积较大的应用如建筑隔热设计方面,可以利用纤维增强或者胶黏剂的方法解决较脆的问题。但是,在制备小型二氧化硅气凝胶时仍然受到限制。增材制造为小型化提供了思路,但一直被认为不适用于制备二氧化硅气凝胶。近日,瑞士联邦材料实验室的赵善宇研究员、Wim J. Malfait研究员合作利用3D打印技术将二氧化硅气凝胶颗粒与二氧化硅溶胶结合,首次成功制备出微型二氧化硅气凝胶。该气凝胶只含二氧化硅,且比表面积高达751 m2/g,热导率仅为15.9 mW/(m·K)。该研究以题为“Additive manufacturing of silica aerogels”发表在《Nature》上。

【增材制造的过程】

作者将粒径尺寸为4–20 μm的二氧化硅气凝胶颗粒加入到二氧化硅/1-戊醇的溶胶中,形成浆料,然后通过3D打印制备了小型的二氧化硅气凝胶材料。戊醇的蒸气压较小(20 oC下是水的1/18),避免了气凝胶在干燥过程中表面的破坏。在胶体颗粒含量超过40 vol%时,墨水表现出了剪切稀化的流变行为,能够保证3D打印过程中顺利书写,且书写后由于剪切力消失,打印的形状能够完全保持下来。打印之后,经过氨气和超临界干燥的过程就可以得到二氧化硅气凝胶的成品。

《Nature》:实现“不可能”!3D打印微型二氧化硅气凝胶
图1 增材制造制备二氧化硅气凝胶的过程示意图

 

【二氧化硅气凝胶的形貌】

作者通过控制可以制备出不同结构的二氧化硅气凝胶,如图2所示。而通过控制墨水的粘度可以控制气凝胶内部的气孔大小。内部的形貌显示出了互锁的结构。氮气吸附测试结果表明,气凝胶的比表面积为697-751 m2/g,孔径为11.8-12.6 nm。室温下的热导率仅为15.9 mW/(m·K)。此外,更有意思的是,得到的气凝胶比气凝胶颗粒原料具有更优异的热稳定性。

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图2 二氧化硅气凝胶的微观结构、气体吸附性能和热稳定性

 

【气凝胶在热管理方面的应用】

随后,作者制备了不同尺寸和厚度的二氧化硅气凝胶,研究了其在热管理方面的应用。结果表明,无论放置在150 ℃还是-20 ℃的基板下,气凝胶的厚度越大,其表面与基板的温差也越大。同时,将其打印成一定形状用于隔绝电路板的热量,其表面温度比同厚度下的商用材料低12 ℃。展现出在电子器件领域热管理方面良好的应用前景。

《Nature》:实现“不可能”!3D打印微型二氧化硅气凝胶
图3 二氧化硅气凝胶的热管理应用

 

【气凝胶在气体吸附和分解方面的应用】

此外,作者还将二氧化锰加入墨水中,制备出具有优异蒸腾气泵性能的功能气凝胶。该气凝胶表现出了极好的吸附能力,并且在光催化条件下,能将有害气体(如甲苯等)有效分解。

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图4 气凝胶在气体吸附和分解中的应用

 

【总结】作者利用增材制造首次实现了对于小型二氧化硅气凝胶的精确制备。该气凝胶表现出了极高的比表面积和极低的热导率。随着电子器件向小型化和集成化的快速发展,其在电子器件的热管理方面表现出极好的应用价值。同时,通过调控原料组分,该气凝胶有望用于电、磁、化学和医疗等众多领域。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0

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