专栏 l 纳米粒子气凝胶新型3D打印新一代的光热装置-金属3D打印工厂

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专栏 l 纳米粒子气凝胶新型3D打印新一代的光热装置

| 3DScienceValley · 2022/03/06

专栏 l 纳米粒子气凝胶新型3D打印新一代的光热装置

谷专栏是3D科学谷内容板块:谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景:贡献于制造业附加值创造,贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队,与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

根据3D科学谷的了解,光热装置是通过特定的聚光装置,将太阳能转换成热能,从而将接收器中的介质(液体或气体)加热到较高温度,然后将加热介质直接加以利用,或者用于驱动其他装置产生诸如电能、机械能等形式的能量。

根据3D科学谷的市场观察,汉堡大学的一组研究人员开发了一种用于纳米粒子气凝胶的新型 3D 打印工艺,该工艺可能会产生新一代的光热装置。

有关该研究的更多信息,请参阅发表在《先进功能材料》杂志上的题为 “Additive-free, gelled nanoinks as a 3D printing toolbox for hierarchically structured bulk aerogels”的论文。该文章由 M. Rebber、M. Trommler、I. Lokteva、S. Ehteram、A. Schropp、S. Konig、M. Froba 和 D. Koziej 共同撰写。本期谷.专栏,将分享这一科研成果的主要介绍。

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多个长度尺度上保持纳米特性

根据知乎/拾人牙慧的社会学徒,气凝胶3D打印的挑战:现有墨水种类少,难于实现分子基油墨的多样化和标准化;目前对于气凝胶多级孔结构在不同应用领域还缺乏理论设计和实验验证,且胶体强度偏低。未来研究方向:(1)溶胶前驱体的设计与合成,如打印聚合物、Al2O3、ZrO2等所用的前驱体;(2)标准化墨水配方,形成商业化系列品种;(3)多级孔结构的设计,主要针对不同的应用需求,优化设计多级孔结构;(4)增强气凝胶本征强度。

根据知乎,气凝胶作为具有超低密度、低热导率、超高比表面积和吸附性能的轻质多孔纳米材料,气凝胶具有独特的物理性能,可广泛应用于保温、隔热、隔音、电子、生物医学、光学、储能、化学吸附等领域,近年来,气凝胶的社会和经济影响日益显现,从绝热到能源及生物技术应用,都是一个成熟的产业。但是气凝胶存在强度低、易破裂等缺陷,其加工成型及应用面临着新的挑战。

汉堡大学的纳米粒子气凝胶的新型 3D 打印工艺基于直接墨水书写 (DIW) 3D 打印,为使用二氧化钛 (TiO2) 纳米粒子气凝胶制造太阳能蒸汽发电或热化学储热装置提供了新的设计自由度。

虽然二氧化钛被用作研究的基础,但研究人员表示,他们的技术也可以推广到“广泛的材料库”,并允许设计具有特定功能的纳米粒子墨水,以适应其目标应用。

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基于 TiO2 纳米粒子的气凝胶的模块化 3D 打印方法

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 基于纳米粒子的气凝胶的挑战

气凝胶是高度多孔的固体,可在宏观尺度上保持单个纳米材料的特性。虽然可以制造出具有显着性能的各种尺寸、形状、成分和表面化学性质的纳米材料,但基于宏观纳米材料的器件的大批量制造仍然是一个挑战。

根据知乎,基于传统溶胶-凝胶工艺,常规成型方法可制成微珠、连续纤维、薄片、涂层和复杂形状气凝胶。但是,由于传统模具设计方法的局限性,高精度、高复杂形状气凝胶材料的制备一直是个难题。与传统的减材加工相比,3D功能打印等增材制造技术具有更大的灵活性和更低的制造成本,可用于制造结构复杂的零件。

根据知乎,气溶胶墨水按所使用的原材料可分为:分子基凝胶墨水和纳米材料基墨水。

根据知乎/拾人牙慧的社会学徒,以分子为原料,主要通过溶胶-凝胶法,由于这种油墨的流变性严重依赖于化学反应而形成的油墨,因此很难对其进行控制,目前仅开发了SiO2基、间苯二酚-甲醛基和海藻酸盐基墨水,用于打印气凝胶。

根据知乎/拾人牙慧的社会学徒,以纳米材料为原料,通过分散形成胶体的墨水,根据使用的纳米材料的构造,可以分为0D纳米粒子基础墨水,现在开发碳、SiO2、TiO2、ZnO、CdSe/CdS等纳米粒子基础墨水的1D纳米纤维基础墨水,现在开发碳纳米管、金属纤维、氧化物纤维、纳米纤维素、芳尼龙纳米纤维等墨水的2D纳米片子基础墨水。

根据3D科学谷的了解,纳米材料加工的主要困难之一是在多个长度尺度上保持纳米级特性。虽然凝胶浇注为将纳米材料加工成气凝胶提供了一种有吸引力的方法,由于可用的模具几何形状范围有限,而且以这种方式制造的气凝胶形状可调性有限,阻碍了复杂微结构几何形状的产生。

汉堡大学的研究人员将基于挤压的 DIW 3D 打印确定为克服这些挑战的有前途的技术,因为该技术是从陶瓷加工发展而来的,材料和设备可以由预制颗粒制造。然而,由于颗粒尺寸和孔隙率的不同,陶瓷和基于纳米颗粒的气凝胶具有根本不同的特性。

因此,研究人员需要配制与 DIW 工艺兼容的无添加剂 3D 打印油墨,类似于传统铸造气凝胶,以便在 3D 打印气凝胶中充分捕捉纳米材料的特性。

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3D 打印 TiO2 气凝胶的分层结构

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 3D 打印基于纳米粒子的气凝胶

在研究期间,研究人员专注于开发一种能够处理基于 TIO2 的气凝胶的 DIW 3D 打印工艺。打印过程不是使用流变添加剂来确保可打印性(这可能对纳米材料的性能有害),而是在液体碱性浴中进行。这使得研究能够保持墨水的纳米级特性,同时还能创造出宏观的半透明气凝胶几何形状。

该过程首先通过纳米颗粒凝胶形成墨水,然后在液浴中进行 3D 打印,然后通过超临界干燥进行后处理。研究人员发现,颗粒浓度为 4% 的墨水最适合 3D 打印。利用 Hyrel 3D 的 Engine HR 3D 打印机,3D 打印过程在液浴中进行,以克服在空气中打印基于纳米粒子的气凝胶时观察到的蒸发引起的凝胶损伤。

此外,研究人员发现,在凝胶化过程之前,他们可以通过将 TIO2 与额外的纳米粒子(如金 (AU) 纳米粒子 (AuNP) 或金纳米棒 (AuNR))混合来轻松处理多组分油墨。

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基于 TiO2 纳米粒子的气凝胶的 DIW 的实验障碍

该团队通过打印具有高形状保真度和精度的几何形状展示了他们方法的设计灵活性,包括无空隙立方体、3D点阵晶格、具有大悬垂的结构和其他多材料几何形状。

3D 打印的气凝胶包含一个随机组织的互连介孔网络,孔径在 20 nm 范围内,并且具有传统铸造金属氧化物气凝胶的典型相对表面积和低密度。

研究人员还通过成功地将金属氧化物气凝胶的卓越隔热能力与等离子 AuNR 的光热特性相结合,展示了他们方法的设计自由度。他们的 DIW 3D 打印工艺不仅定义了打印材料的尺寸,还定义了其在任何所需点的成分和光热特性。

然而,最重要的突破是能够设计他们制造的光热气凝胶的微观结构,以提供更好的光穿透性和更均匀的加热。据该团队称,这可以使新一代光热设备用于太阳能蒸汽产生或热化学储热。

为了实现这一目标,研究团队使用了两个装载不同纳米材料的打印头。就其本身而言,二氧化钛墨水会吸收紫外线辐射并呈现半透明状态,但是当加载 AuNR 时,由于等离子体激发,在可见光和近红外 (NIR) 范围内会出现强消光。研究人员利用其 DIW 技术的自由形式能力来局部定义气凝胶的光热特性并改善其产热和光分布特性。

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纯 TiO2 和 AuNR/TiO2 混合油墨的多材料打印

除 TiO2 外,该方法还可应用于光热装置中常用的 SiO2、Al2O3 或 ZrO2 纳米粒子基气凝胶。过去,等离子体纳米粒子的光热加热已被用于清洁水再生、能量产生和光热催化的原型设备,但由于无法在 3D 宏观尺度上构造纳米级特性,直到现在仅限于薄膜。

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微结构对 3D 打印 AuNR/TiO2 气凝胶温度和光分布的影响

通过在宏观物体中实现更均匀的热量产生,研究人员相信他们的 DIW 3D 打印技术为制造大规模 3D 结构化光热器件提供了一种全新的方法。


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