3D打印實(shí)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(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dú)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(jī)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(shí)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(jì)，(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(jì)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(jìn)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(gè)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(jī)械強(qiáng)度的需要。這項(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)與對(duì)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(jī)械強(qiáng)度，其中氣凝膠部分有助于隔熱，SLA磚有助于增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)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(gè)空心SLA磚和六個(gè)PI氣凝膠/SLA磚組成的裝配體，(b)裝配圖以及(d) 中報(bào)告的用于溫度掃描的點(diǎn)，以及熱流方向，(c)組裝磚放置在FDM打印床上，對(duì) 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(xiàn)：

    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：