萊斯大學科學家采用DIW技術成功打印出純度97%的石墨零件

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

眾所周知,，以前用石墨進行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（多為FDM）,，然后可以創(chuàng)建機械性能完好的結構,，但由此產(chǎn)生的復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系,。

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

△通過direct ink writing (DIW) 3D打印的石墨結構,。圖片來自萊斯大學,。

石墨——高性能礦物

石墨被認為是最有用的碳同素異形體之一,，它有很多工業(yè)應用,。這種材料具有分層的2D原子結構，是多種高性能潤滑劑的關鍵成分,。石墨還具有出色的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，這使其能夠承受熔融金屬坩堝和核反應堆堆芯所需的極端環(huán)境條件,。此外，石墨材料的高導電性也使其成為電池,、電觸點甚至柔性電子產(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,。納米粘土最終充當粘合劑，確保石墨薄片均勻分布在所得復合油墨中,。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

當進行3D打印時,，納米粘土添加劑的效果在最終的3D結構中非常明顯。研究中的所有打印測試對象都表現(xiàn)出出色的結構穩(wěn)定性,，并且可以毫無懸念地支撐自身重量,，盡管幾何形狀復雜。即使在風干后,，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團隊已經(jīng)將這種新型的高濃度墨水配方用于多種石墨應用,，這包括用于鑄造錫的3D打印模具、用于點亮 LED的石墨電路以及能夠將水加熱到沸點的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

關于該研究的更多細節(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打印領域內(nèi)外眾多研究的主題,。來自布法羅大學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,、金屬和有機溶劑,。

此外，在FAMU-FSU工程學院,，科學家們?yōu)?D打印基于石墨烯的結構開發(fā)了一個參數(shù)集,，具有優(yōu)化的導電質(zhì)量。經(jīng)過一系列測試運行后,，該團隊發(fā)現(xiàn),，雖然打印壓力和噴嘴直徑等因素會影響復合材料的性能，但在特定的打印速度下,，其顆�,？梢砸蕴囟ǖ姆绞脚帕小�