供稿人：汪靖，王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-04-02
自1931年，氣凝膠被發(fā)現(xiàn)以來，其憑借超低密度、低導熱系數(shù)等獨特的性能而備受關注，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)異的力學性能和優(yōu)異的耐化學和熱性能而在航空航天領域得到了廣泛的應用。
阿克倫大學的研究人員創(chuàng)造了一種新的工藝，將3D打印與氣凝膠制作有機結合起來。他們基于3D打印技術，采用SLA技術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)再經過脫模、固化等后處理，最后實現(xiàn)了氣凝膠磚塊的模塊化生產，制作過程如圖1所示。在制作出來的磚塊中，3D打印固體聚合物結構作為承重元件，氣凝膠部分提供隔熱性能。
圖1 (a)樂高磚和成形模的設計，(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計成多孔結構，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，并且促進溶膠-凝膠轉變后的溶劑交換和干燥。表面的突起也可以使單個磚塊以模塊化的方式連接起來，形成更大的結構，滿足多種形狀、總長度和機械強度的需要。這項研究也設置了如圖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。
經過彎曲測試、應力-應變測試、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、熱導率和熱成像的測量（圖4）一系列的實驗與對比，阿克倫大學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構形式，且不影響其機械強度，其中氣凝膠部分有助于隔熱，SLA磚有助于增強機械強度。
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)一個空心SLA磚和六個PI氣凝膠/SLA磚組成的裝配體，(b)裝配圖以及(d) 中報告的用于溫度掃描的點，以及熱流方向，(c)組裝磚放置在FDM打印床上，對 應于(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℃。