3D打印实现气凝胶砖的模块化制作

供稿人：汪靖，王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


自1931年，气凝胶被发现以来，其凭借超低密度、低导热系数等独特的性能而备受关注，气凝胶是催化剂载体、隔热材料、空气中的纳米颗粒过滤等的最佳材料。尤其是聚酰亚胺气凝胶，其凭借优异的力学性能和优异的耐化学和热性能而在航空航天领域得到了广泛的应用。

阿克伦大学的研究人员创造了一种新的工艺，将3D打印与气凝胶制作有机结合起来。他们基于3D打印技术，采用SLA技术制作类似于乐高积木的小砖块，使用FDM工艺制作成形模，再向模具与砖块里面注入气凝胶，后续再经过脱模、固化等后处理，最后实现了气凝胶砖块的模块化生产，制作过程如图1所示。在制作出来的砖块中，3D打印固体聚合物结构作为承重元件，气凝胶部分提供隔热性能。

图1 (a)乐高砖和成形模的设计，(b)用SLA打印空心砖和FDM打印成形和PI气凝胶 超临界干燥后制备气凝胶砖块的工艺示意图

乐高积木形状的空心砖的设计成多孔结构，如菱形，圆形，或正方形的空洞分布在砖的表面，这样的表面特征便于气凝胶的注入，并且促进溶胶-凝胶转变后的溶剂交换和干燥。表面的突起也可以使单个砖块以模块化的方式连接起来，形成更大的结构，满足多种形状、总长度和机械强度的需要。这项研究也设置了如图2所示的六种不同类型的凝胶砖块，它们分别是(1)SLA打印的空心砖，(2)聚酰亚胺（PI）气凝胶+SLA砖，(3)环氧树脂+SLA砖，(4)聚酰亚胺气凝胶+环氧树脂+SLA砖，(5)SLA制作的实心砖，(6)10%SLA+ SLA打印的空心砖。

图2 空心SLA砖和填充各种固化树脂和气凝胶的砖。

经过弯曲测试、应力-应变测试、孔隙度和孔隙体积测量、表面积测量、微观形貌观测（图3）、热重分析、热导率和热成像的测量（图4）一系列的实验与对比，阿克伦大学的研究人员证明了模块化制造聚酰亚胺气凝胶砖的可行性，无论是性能还是可操作性都是较好的。通过3D打印获得的模块化气凝胶砖，可以用于建造各种定制的隔热结构形式，且不影响其机械强度，其中气凝胶部分有助于隔热，SLA砖有助于增强机械强度。

图3 (a)PI和10% SLA树脂的BET等温线 (b) PI气凝胶和(c) 10% SLA树脂的SEM图像。

图4 (a)一个空心SLA砖和六个PI气凝胶/SLA砖组成的装配体，(b)装配图以及(d) 中报告的用于温度扫描的点，以及热流方向，(c)组装砖放置在FDM打印床上，对 应于(b)的安排，(d)装配体的现场温度随着打印床的温度升至120℃。

参考文献：

    Joo Piljae, Yao Yimin, Teo Nicholas, Jana Sadhan C. 通过 3D 打印模具制造模块化气凝胶砖[J]. 增材制造，2021,46：