萊斯大學(xué)科學(xué)家采用DIW技術(shù)成功打印出純度97%的石墨零件

導(dǎo)讀：2021年6月24日，南極熊了解到，來自德克薩斯州萊斯大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了一種使用漿料直寫成型技術(shù)（Direct Ink Writing，DIW) 3D 打印復(fù)雜石墨結(jié)構(gòu)的新方法，采用DIW方法打印出的石墨配件純度可以達(dá)到97%。

眾所周知，以前用石墨進(jìn)行3D打印的嘗試通常涉及將粉末形式的材料整合到聚合物基質(zhì)中。然后使用基于熔融、擠壓的技術(shù)（多為FDM），然后可以創(chuàng)建機(jī)械性能完好的結(jié)構(gòu)，但由此產(chǎn)生的復(fù)合材料包含的石墨重量通常不到50%。因此，目前的3D打印石墨部件還不能真正提供純石墨所具有的優(yōu)異熱性能和電特性，這與3D打印出的石墨件純度有很大關(guān)系。

為了解決這個問題，萊斯大學(xué)Rice團(tuán)隊(duì)的研究人員開發(fā)了一種由石墨粉和微量粘土制成的可3D打印膠體墨水，它可以實(shí)現(xiàn)了純度高達(dá)97%的復(fù)雜DIW部件打印。

△通過direct ink writing (DIW) 3D打印的石墨結(jié)構(gòu)。圖片來自萊斯大學(xué)。

石墨——高性能礦物

石墨被認(rèn)為是最有用的碳同素異形體之一，它有很多工業(yè)應(yīng)用。這種材料具有分層的2D原子結(jié)構(gòu)，是多種高性能潤滑劑的關(guān)鍵成分。石墨還具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，這使其能夠承受熔融金屬坩堝和核反應(yīng)堆堆芯所需的極端環(huán)境條件。此外，石墨材料的高導(dǎo)電性也使其成為電池、電觸點(diǎn)甚至柔性電子產(chǎn)品的理想選擇。

但是，由于高溫加工的挑戰(zhàn)和材料固有的脆性，使用傳統(tǒng)的合成方法來制造由石墨制成的復(fù)雜幾何零件通常非常困難，這是3D打印能夠解決的問題。

石墨零件成型過程

DIW的高濃度石墨油墨是通過將少量硅酸鹽納米粘土（3–10 wt%）添加到充滿石墨薄片的水浴中配制而成的。納米粘土最終充當(dāng)粘合劑，確保石墨薄片均勻分布在所得復(fù)合油墨中。添加粘土還顯著增加了材料的粘度，使其可在室溫下通過DIW擠出。相比之下，發(fā)現(xiàn)僅含石墨的墨水會堵塞3D打印機(jī)的噴嘴，同時在壓力下分離。

△3D打印石墨部件的SEM成像。圖片來自萊斯大學(xué)

當(dāng)進(jìn)行3D打印時，納米粘土添加劑的效果在最終的3D結(jié)構(gòu)中非常明顯。研究中的所有打印測試對象都表現(xiàn)出出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且可以毫無懸念地支撐自身重量，盡管幾何形狀復(fù)雜。即使在風(fēng)干后，與純石墨墨水相比，這些部件仍能保持其原始形狀，并且吸收能量的能力有所提高。

Rice團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這種新型的高濃度墨水配方用于多種石墨應(yīng)用，這包括用于鑄造錫的3D打印模具、用于點(diǎn)亮 LED的石墨電路以及能夠?qū)⑺�加熱到沸點(diǎn)的3D打印加熱元件。

△3D打印鑄模、3D打印電路和3D打印加熱元件。圖片來自萊斯大學(xué)

關(guān)于該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“Three-dimensional printing of complex graphite structures”的論文中找到。它由Seyed Mohammad Sajadi、Shayan Enayat 等人合著。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0008622321004978
在其他方面，石墨及其單層形式石墨烯是3D打印領(lǐng)域內(nèi)外眾多研究的主題。來自布法羅大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種新的可凈水的3D打印石墨烯氣凝膠，能夠大規(guī)模處理廢水。這種新型材料由類似泡沫聚苯乙烯的氣凝膠、格狀石墨烯和兩種仿生聚合物組成，能夠以100%的效率去除飲用水中的染料、金屬和有機(jī)溶劑。

此外，在FAMU-FSU工程學(xué)院，科學(xué)家們?yōu)?D打印基于石墨烯的結(jié)構(gòu)開發(fā)了一個參數(shù)集，具有優(yōu)化的導(dǎo)電質(zhì)量。經(jīng)過一系列測試運(yùn)行后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，雖然打印壓力和噴嘴直徑等因素會影響復(fù)合材料的性能，但在特定的打印速度下，其顆粒可以以特定的方式排列。