氮化硼（BN）在3D打印中的潛在應(yīng)用及相關(guān)研究

南極熊導(dǎo)讀：將納米技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可以將其應(yīng)用潛力擴展到智能設(shè)計和智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。氮化硼（BN）等納米材料具有優(yōu)異的機械、電氣和熱性能。通過3D打印技術(shù)靈活設(shè)計和制造產(chǎn)品，氮化硼顯示出潛在的應(yīng)用前景，特別適用于能源儲存、醫(yī)療設(shè)備以及柔性電子產(chǎn)品。

△氮化硼的掃描電子顯微鏡圖像

氮化硼的特性和優(yōu)勢

氮化硼是優(yōu)良的電絕緣體，具有約5.97 eV的寬帶隙，表現(xiàn)出涂層平整和高度穩(wěn)定的特性。因其獨特的界面特性和與其它納米材料協(xié)同效應(yīng)的低庫侖散射，使它成為納米復(fù)合材料中理想的電介質(zhì)、襯底和填料。

氮化硼的六角結(jié)構(gòu)類似于石墨的蜂窩結(jié)構(gòu)，硼和氮之間的共價鍵強度高，而層間的范德華力較弱，使它在聲子主導(dǎo)的熱傳輸應(yīng)用中成為理想的熱調(diào)節(jié)材料。

強大的B-N鍵賦予氮化硼優(yōu)異的機械和化學(xué)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出極強的抗磨損和抗氧化能力。此外，該材料還具有良好的生物相容性，擴展了它在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

△通過FDM制造的樣品的SEM圖像：（a）PLA；（b）PLA + 5 wt% BN；（c）PLA + 10 wt% BN

3D打印中的應(yīng)用

硼元素可提高3D打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能，并被納入各種復(fù)合材料，用于專門的3D打印應(yīng)用。例如，BN-聚合物復(fù)合材料可幫助3D打印出機械堅固、可自我維持的結(jié)構(gòu)。這種高含量氮化硼的結(jié)構(gòu)具有很高的物理可塑性和彈性，只需進行最少的后處理。

導(dǎo)熱氮化硼基復(fù)合材料在需要控制熱傳導(dǎo)和散熱的微電子器件中至關(guān)重要。除了熱管理應(yīng)用外，這些復(fù)合材料還因其細胞相容性而適用于生物3D打印。

摻入BN的聚乙烯醇（PVA）纖維被探索用于個人冷卻應(yīng)用中的熱控制紡織品。氮化硼確保纖維結(jié)構(gòu)緊湊、分布均勻、取向適當(dāng)，從而提高抗拉強度、導(dǎo)熱性和熱量分布均勻性。

由BN-PVA復(fù)合材料3D打印而成的紡織品的熱傳導(dǎo)性能是PVA紡織品的1.5倍，是棉織物的兩倍。此外，BN-PVA織物的冷卻能力比傳統(tǒng)棉織物高出約55%。

通過將BN與光敏聚合物(PSP)結(jié)合使用，還證明了氮化硼可用于3D打印支架。由于BN與PSP樹脂之間有效的界面相互作用，因此生成的支架在微硬度、阻尼和抗壓強度測試中表現(xiàn)良好。氮化硼良好的能量耗散特性和聚合物的粘彈性增強了3D打印支架的阻尼能力。

二維六方氮化硼（hBN）納米顆粒與離子液體相結(jié)合，可產(chǎn)生具有優(yōu)異離子傳導(dǎo)性和機械性能的氣溶膠噴射打印離子凝膠。這些離子凝膠可用于打印薄膜晶體管(TFT)，利用hBN作為電介質(zhì)，TFT可表現(xiàn)出優(yōu)異的傳輸和輸出特性以及機械彎曲容差。這種3D打印晶體管是很有前途的電分析傳感平臺。

挑戰(zhàn)與限制

盡管氮化硼具備多種優(yōu)勢特性，但在3D打印應(yīng)用中，其實際應(yīng)用目前主要局限于研究和開發(fā)階段。這主要因為3D打印過程中加工氮化硼面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是它堅固的B-N鍵結(jié)構(gòu)對功能化處理的挑戰(zhàn)性。

例如，雖然在復(fù)合材料中添加大量氮化硼可以顯著增強導(dǎo)熱性，但也會降低其延展性，從而對于像醫(yī)療設(shè)備封裝等需要機械強度的應(yīng)用而言，影響復(fù)合材料的加工性能。

為了打印出具有更大自由度和高分辨率結(jié)構(gòu)，需要仔細優(yōu)化各種技術(shù)參數(shù)。此外，了解氮化硼與其他先進的3D打印材料（主要是聚合物）的協(xié)同作用，有助于實現(xiàn)獨特設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

在納米復(fù)合材料的3D打印中引入氮化硼，不僅有助于提升制造過程的控制性能，但其分布、分散以及與其他成分的相互作用仍面臨挑戰(zhàn)，導(dǎo)致實際結(jié)果可能與理論預(yù)測有所不同。

另外，除了氮化硼在作為打印材料時面臨的可用性和成本限制之外，3D打印技術(shù)本身也面臨著幾個重要挑戰(zhàn)，包括對環(huán)境的影響、高昂的設(shè)備成本以及定制化難度。

△有關(guān)BN在3D打印材料中的研究，題目為“通過3D打印技術(shù)開發(fā)的氮化硼增強聚合物復(fù)合材料的機械和磨損研究”（傳送門）

未來展望

為了解決這些局限性并擴展氮化硼在3D打印中的應(yīng)用，人們正在進行重要的研究努力。例如，《Polymers》雜志最近的一項研究探討了將BN作為聚乳酸（PLA）增強材料，以提高它的機械強度和耐磨性能。通過向聚乳酸基體中加入5%和10%重量比的BN，可以制備直徑為1.75毫米的復(fù)合絲。

這些長絲制成的3D打印樣品表現(xiàn)出更高的拉伸強度、尺寸精度和低表面粗糙度的磨損特性。因此，通過在聚合物基質(zhì)中優(yōu)化氮化硼的添加量，可以顯著提升聚合物復(fù)合材料的性能，而這些復(fù)合材料正是支撐3D打印技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

△題目為“利用高強度、柔性的3D打印纖維素/六方氮化硼納米片復(fù)合材料進行能量收集”相關(guān)研究（傳送門）

另外，美國化學(xué)學(xué)會《Applied Nano Materials》雜志最近的另一項研究表明，將六方氮化硼（hBN）融入天然聚合物纖維素中，可生產(chǎn)出用于能量收集應(yīng)用的3D打印納米片。機械剝離的六方氮化硼被用作纖維素基質(zhì)中的流變修飾劑。3D打印的hBN-纖維素薄膜具有高強度、柔韌性和最大表觀粘度。

研究團隊利用制備的hBN-纖維素薄膜制作了柔性電能收集器，并對應(yīng)變誘導(dǎo)的電荷產(chǎn)生進行了深入研究。當(dāng)施加負載電阻和壓力時，裝置能產(chǎn)生電壓和電流。此外，在hBN-纖維素納米片中還觀察到電荷狀態(tài)波動和自發(fā)極化現(xiàn)象。密度泛函理論計算也支持了這些實驗結(jié)果的解釋。

總體而言，3D打印技術(shù)正朝著工業(yè)化方向迅速發(fā)展，而采用類似氮化硼的高功能材料有望進一步推動這一發(fā)展。