日前,国防科大航天科学与工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室研究人员在《Small Methods》上发表题为Versatile Thermal-Solidifying Direct-Write Assembly towards Heat-Resistant 3D-Printed Ceramic Aerogels for Thermal Insulation(用于隔热的耐高温3d打印陶瓷气凝胶的通用热固化直写策略)的研究论文,基于该策略所打印的陶瓷气凝胶在空气中表现出优异的高温稳定性,可达1000℃(线性收缩率小于5%)。
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202200045
文章简介
研究背景
陶瓷气凝胶是一种由纳米结构和大量空气组装而成的轻质固态材料,具有高孔隙率、大表面积、低热导率和优异的化学稳定性等特点。这些优异的性能使得陶瓷气凝胶在保温、催化、过滤、环境修复、储能等领域具有广泛的应用前景。传统的陶瓷气凝胶在成型和加工过程中出现难以避免的脆性。因此,基于减材质造技术获得定制设计的陶瓷气凝胶结构和几何形状仍然具有挑战性。
研究内容解读
图l 用于制备陶瓷气凝胶的通用热固化直写3D打印示意图。
图2 陶瓷油墨的流变性能。a)纳米二氧化硅在聚合物水溶液中的粘度随剪切速率的变化。插图显示光学不同含量纳米二氧化硅水溶液的照片。b)纳米二氧化硅水溶液的存储(G)模量和损失(G)模量随剪切应力的变化。c)不同陶瓷油墨粘度随剪切速率的变化。d)不同陶瓷油墨的储存(G)模量和损耗(G)模量为剪应力的函数。e)触变试验的粘度与时间的函数。f)油墨状态演变示意图。
图3具有不同结构和几何形状的3d打印气凝胶的热固化直写3D打印过程。a)金字塔形PS气凝胶整体。b)矩形PTs气凝胶支架。c)三角形PAS气凝胶整体。
图4 直写3d打印的细丝、微结构和物体。a)不同直径喷嘴挤出墨水的光学照片。b) PS墨水热固化前后的构造高度。c)光学照片,d)细丝显微结构,e) o.4 mm直径喷嘴打印PS气凝胶支架的逐层堆积结构。f)层堆积结构,g)光学照片,h) 1.20 mm直径喷嘴打印PTs气凝胶支架的逐层堆积结构。
图5 3D打印气凝胶的形态、纳米级多孔结构和化学成分。
图6 3D打印二氧化硅气凝胶的力学和耐热性。a) 3d打印二氧化硅气凝胶的耐高温原理图。b)不同热处理温度气凝胶整体的线性收缩。c) PS气凝胶整体的压应力-应变曲线和d)杨氏模量,e)3d打印的硅气凝胶在炉中1100℃温度热处理2h前后的eXRD图谱。
图7 3d打印氧化铝-二氧化硅气凝胶和二氧化钛气凝胶的力学和耐热性。
图8 3d打印陶瓷气凝胶的隔热性能。a)在异形铝合金平台上配套安装3d打印陶瓷气凝胶屏蔽板(壁厚5mm)。b)安装在100℃热源表面的PTS气凝胶屏蔽(b1)和PAS气凝胶屏蔽(b2)的红外图像。c-e)不同热处理温度下3d打印气凝胶的导热系数与密度的关系。f)不同气凝胶材料的导热系数与密度的关系。(g, h) 3d打印气凝胶盾牌在900℃煅烧前和h)后的温度记录
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