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当上天的材料遇上3D打印-气凝胶为你呈现

时间:2020-07-22     作者:气凝胶,气凝胶毡价格,环保气凝胶毡厂家【转载】   来自:气凝胶创新应用推进中心

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 “你能,你咋不上天呢?”当材料界气凝胶遇到这个问题时,完全可以很傲娇也很无辜的说:“额,我在天上呢。”

                        

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能上天的材料


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2016年11月3日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号首次发射任务圆满成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列。圆满成功的背后,是无数航天人员的辛苦付出,当然也离不开各种先进航天材料的支撑,其中气凝胶材料就贡献了一份力量。


长征五号超过1000吨的起飞推力,来自于我国新研制的120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机,发动机燃气管路工作温度高、空间狭小、结构复杂,产生的大量余热如果不加控制,将导致周边电子电器发生故障。而高性能纳米气凝胶隔热毡成功解决了这一问题,为长征五号火箭的燃气管路系统提供了有效可靠的隔热保温手段,使其始终处于适宜的温度中。


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据火星探测工程火星探测器总设计师孙泽洲,火星项目办顾问、中科院院士叶培建透露,中国首次火星探测任务将于2020年实施,一步实现“绕、着、巡”的目标。由于火星距离太阳远,加之表面崎岖程度和土壤承载特性远比月球复杂,火星车在执行任务期间将面临能源、保温、对地通信等三大生存问题。中国科学家为克服火星恶劣环境、获得更多科学信息,独立自主地打造了多项“黑科技”。而气凝胶材料又是其中之一。


据孙泽洲介绍,在一般地球轨道卫星或者真空运行的航天器上使用的热控材料不适用于火星车上,这是因为火星表面有很稀薄的大气,纳米气凝胶材料,质量轻,又有非常好的隔热性能,被选用为火星车热控材料。看来在我们走过2016,期待2017时,气凝胶已经是走过长征五,期待火星车了。


不满足于上天——相遇3D打印


如果你认为上天已是很大的满足了,那气凝胶材料绝对是在更积极地进取。美国劳伦斯利物莫国家实验室的一项研究中,气凝胶材料就完美地邂逅了3D打印。


众所周知,3D打印是近年来新兴的一种快速成型技术,它以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。通俗地说,即是用打印机的技术来制造出玩具、礼物乃至建筑物、汽车等立体物件。


3D打印技术怎么会和气凝胶相遇呢,这要从氧化石墨烯说起。氧化石墨烯是一种新型超薄炭膜材料,具有独特的比表面积、优异的弹性、化学稳定性,良好的导电性能和传热性能。这些物理化学性能使得石墨烯在纳米电子学、传感器、催化剂、复合材料、储能、生物支架多方面具有广阔的应用前景。然而,受制于氧化石墨烯二维结构和机械性能的限制,研究人员一直在探索如何制备三维的块状的石墨烯材料。


首先,通过模板导向法,如泡沫金属表面化学气相沉积,制备大块的石墨烯气凝胶材料,这在一定程度上拓宽了石墨烯材料的应用范围。但由于模板导向法制备的三维大块石墨烯材料是无序的。就是说虽然将二维的片状石墨烯组成成了立体的三维的结构,但排列上却是不规律的。在特定的领域,如分离、流体电池、压力传感器上,仍然无法应用。


那如何制备三维有序的石墨烯气凝胶材料呢?美国劳伦斯利物莫国家实验室给出了一个解决方案:3D打印石墨烯气凝胶材料。首先他们将二维石墨烯材料制备成3D打印“墨水”,然后通过三轴运动的3D打印机,将二维石墨烯“墨水”打印成有序的三维凝胶结构,再通过一系列的凝胶、老化、超临界干燥等工艺,制备出三维打印石墨烯气凝胶材料。流程如下图所示。


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是不是听起来挺简单的,但对于研究人员来说,要顺利地完成这个过程,需要解决两个难题。


难题1:制备可打印的石墨烯“墨水”。3D打印墨水必须具有一定的粘度、剪切强度、触变性能才能满足通过3D打印机的要求。而通常制备的石墨烯溶液浓度都比较小,不能满足打印需要。研究人员给出的解决方案是:向石墨烯溶液中添加硅填料,将其变成均质的、高粘性的触变墨水,就能满足打印需要了。


难题2:通过3D打印机后的凝胶要一直保持湿润状态直至进入干燥流程,否则,风干过程中毛细孔力会造成石墨烯气凝胶孔的塌陷。针对这个难题,研究人员给出的解决方案是将石墨烯“墨水”装进注射筒里,通过微喷嘴将三维结构打印进液体浴里,这种液体密度比水小,同时与石墨烯“墨水”也不相溶,这样就解决了打印后的三维结构风干的问题。


通过解决掉这两个难题,研究人员顺利地打印出了三维石墨烯气凝胶材料,就是下面的图片所示,是不是特别整齐有序啊。不仅如此,这样的三维石墨烯气凝胶材料还轻质、高导电性。同时,和无序三维石墨烯气凝胶材料相比,这种材料在压缩强度、杨氏模量上都有数量级的提高,压缩形变可达90%,比表面积也更大了。这将使石墨烯气凝胶材料应用空间更为广阔。


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(气凝胶创新应用推进中心版权所有,转载请注明出处。)

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