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?qū)⑺訜岬椒悬c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，其顆粒可以以特定的方式排列。