3D打印實現(xiàn)氣凝膠磚的模塊化制作

供稿人：汪靖,，王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


自1931年,，氣凝膠被發(fā)現(xiàn)以來，其憑借超低密度,、低導(dǎo)熱系數(shù)等獨特的性能而備受關(guān)注，氣凝膠是催化劑載體,、隔熱材料,、空氣中的納米顆粒過濾等的最佳材料。尤其是聚酰亞胺氣凝膠,，其憑借優(yōu)異的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐化學(xué)和熱性能而在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。

阿克倫大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種新的工藝，將3D打印與氣凝膠制作有機結(jié)合起來,。他們基于3D打印技術(shù),，采用SLA技術(shù)制作類似于樂高積木的小磚塊，使用FDM工藝制作成形模,，再向模具與磚塊里面注入氣凝膠,，后續(xù)再經(jīng)過脫模、固化等后處理,，最后實現(xiàn)了氣凝膠磚塊的模塊化生產(chǎn)，制作過程如圖1所示,。在制作出來的磚塊中,，3D打印固體聚合物結(jié)構(gòu)作為承重元件，氣凝膠部分提供隔熱性能,。

圖1 (a)樂高磚和成形模的設(shè)計，(b)用SLA打印空心磚和FDM打印成形和PI氣凝膠 超臨界干燥后制備氣凝膠磚塊的工藝示意圖

樂高積木形狀的空心磚的設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu),，如菱形,，圓形，或正方形的空洞分布在磚的表面,，這樣的表面特征便于氣凝膠的注入，并且促進溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變后的溶劑交換和干燥,。表面的突起也可以使單個磚塊以模塊化的方式連接起來,，形成更大的結(jié)構(gòu)，滿足多種形狀,、總長度和機械強度的需要,。這項研究也設(shè)置了如圖2所示的六種不同類型的凝膠磚塊,，它們分別是(1)SLA打印的空心磚,，(2)聚酰亞胺（PI）氣凝膠+SLA磚，(3)環(huán)氧樹脂+SLA磚,，(4)聚酰亞胺氣凝膠+環(huán)氧樹脂+SLA磚,，(5)SLA制作的實心磚，(6)10%SLA+ SLA打印的空心磚,。

圖2 空心SLA磚和填充各種固化樹脂和氣凝膠的磚,。

經(jīng)過彎曲測試、應(yīng)力-應(yīng)變測試,、孔隙度和孔隙體積測量,、表面積測量,、微觀形貌觀測（圖3）、熱重分析,、熱導(dǎo)率和熱成像的測量（圖4）一系列的實驗與對比,，阿克倫大學(xué)的研究人員證明了模塊化制造聚酰亞胺氣凝膠磚的可行性，無論是性能還是可操作性都是較好的,。通過3D打印獲得的模塊化氣凝膠磚,，可以用于建造各種定制的隔熱結(jié)構(gòu)形式，且不影響其機械強度,，其中氣凝膠部分有助于隔熱,，SLA磚有助于增強機械強度,。

圖3 (a)PI和10% SLA樹脂的BET等溫線 (b) PI氣凝膠和(c) 10% SLA樹脂的SEM圖像,。

圖4 (a)一個空心SLA磚和六個PI氣凝膠/SLA磚組成的裝配體，(b)裝配圖以及(d) 中報告的用于溫度掃描的點,，以及熱流方向,，(c)組裝磚放置在FDM打印床上，對 應(yīng)于(b)的安排,，(d)裝配體的現(xiàn)場溫度隨著打印床的溫度升至120℃。

參考文獻：

    Joo Piljae, Yao Yimin, Teo Nicholas, Jana Sadhan C. 通過 3D 打印模具制造模塊化氣凝膠磚[J]. 增材制造,，2021,46：