氮化硼（BN）在3D打印中的潜在应用及相关研究

南极熊导读：将纳米技术与3D打印技术相结合，可以将其应用潜力扩展到智能设计和智能结构领域。氮化硼（BN）等纳米材料具有优异的机械、电气和热性能。通过3D打印技术灵活设计和制造产品，氮化硼显示出潜在的应用前景，特别适用于能源储存、医疗设备以及柔性电子产品。

△氮化硼的扫描电子显微镜图像

氮化硼的特性和优势

氮化硼是优良的电绝缘体，具有约5.97 eV的宽带隙，表现出涂层平整和高度稳定的特性。因其独特的界面特性和与其它纳米材料协同效应的低库仑散射，使它成为纳米复合材料中理想的电介质、衬底和填料。

氮化硼的六角结构类似于石墨的蜂窝结构，硼和氮之间的共价键强度高，而层间的范德华力较弱，使它在声子主导的热传输应用中成为理想的热调节材料。

强大的B-N键赋予氮化硼优异的机械和化学稳定性，表现出极强的抗磨损和抗氧化能力。此外，该材料还具有良好的生物相容性，扩展了它在医疗领域的应用潜力。

△通过FDM制造的样品的SEM图像：（a）PLA；（b）PLA + 5 wt% BN；（c）PLA + 10 wt% BN

3D打印中的应用

硼元素可提高3D打印结构的质量和性能，并被纳入各种复合材料，用于专门的3D打印应用。例如，BN-聚合物复合材料可帮助3D打印出机械坚固、可自我维持的结构。这种高含量氮化硼的结构具有很高的物理可塑性和弹性，只需进行最少的后处理。

导热氮化硼基复合材料在需要控制热传导和散热的微电子器件中至关重要。除了热管理应用外，这些复合材料还因其细胞相容性而适用于生物3D打印。

掺入BN的聚乙烯醇（PVA）纤维被探索用于个人冷却应用中的热控制纺织品。氮化硼确保纤维结构紧凑、分布均匀、取向适当，从而提高抗拉强度、导热性和热量分布均匀性。

由BN-PVA复合材料3D打印而成的纺织品的热传导性能是PVA纺织品的1.5倍，是棉织物的两倍。此外，BN-PVA织物的冷却能力比传统棉织物高出约55%。

通过将BN与光敏聚合物(PSP)结合使用，还证明了氮化硼可用于3D打印支架。由于BN与PSP树脂之间有效的界面相互作用，因此生成的支架在微硬度、阻尼和抗压强度测试中表现良好。氮化硼良好的能量耗散特性和聚合物的粘弹性增强了3D打印支架的阻尼能力。

二维六方氮化硼（hBN）纳米颗粒与离子液体相结合，可产生具有优异离子传导性和机械性能的气溶胶喷射打印离子凝胶。这些离子凝胶可用于打印薄膜晶体管(TFT)，利用hBN作为电介质，TFT可表现出优异的传输和输出特性以及机械弯曲容差。这种3D打印晶体管是很有前途的电分析传感平台。

挑战与限制

尽管氮化硼具备多种优势特性，但在3D打印应用中，其实际应用目前主要局限于研究和开发阶段。这主要因为3D打印过程中加工氮化硼面临技术挑战，特别是它坚固的B-N键结构对功能化处理的挑战性。

例如，虽然在复合材料中添加大量氮化硼可以显著增强导热性，但也会降低其延展性，从而对于像医疗设备封装等需要机械强度的应用而言，影响复合材料的加工性能。

为了打印出具有更大自由度和高分辨率结构，需要仔细优化各种技术参数。此外，了解氮化硼与其他先进的3D打印材料（主要是聚合物）的协同作用，有助于实现独特设计的结构。

在纳米复合材料的3D打印中引入氮化硼，不仅有助于提升制造过程的控制性能，但其分布、分散以及与其他成分的相互作用仍面临挑战，导致实际结果可能与理论预测有所不同。

另外，除了氮化硼在作为打印材料时面临的可用性和成本限制之外，3D打印技术本身也面临着几个重要挑战，包括对环境的影响、高昂的设备成本以及定制化难度。

△有关BN在3D打印材料中的研究，题目为“通过3D打印技术开发的氮化硼增强聚合物复合材料的机械和磨损研究”（传送门）

未来展望

为了解决这些局限性并扩展氮化硼在3D打印中的应用，人们正在进行重要的研究努力。例如，《Polymers》杂志最近的一项研究探讨了将BN作为聚乳酸（PLA）增强材料，以提高它的机械强度和耐磨性能。通过向聚乳酸基体中加入5%和10%重量比的BN，可以制备直径为1.75毫米的复合丝。

这些长丝制成的3D打印样品表现出更高的拉伸强度、尺寸精度和低表面粗糙度的磨损特性。因此，通过在聚合物基质中优化氮化硼的添加量，可以显著提升聚合物复合材料的性能，而这些复合材料正是支撑3D打印技术的关键基础。

△题目为“利用高强度、柔性的3D打印纤维素/六方氮化硼纳米片复合材料进行能量收集”相关研究（传送门）

另外，美国化学学会《Applied Nano Materials》杂志最近的另一项研究表明，将六方氮化硼（hBN）融入天然聚合物纤维素中，可生产出用于能量收集应用的3D打印纳米片。机械剥离的六方氮化硼被用作纤维素基质中的流变修饰剂。3D打印的hBN-纤维素薄膜具有高强度、柔韧性和最大表观粘度。

研究团队利用制备的hBN-纤维素薄膜制作了柔性电能收集器，并对应变诱导的电荷产生进行了深入研究。当施加负载电阻和压力时，装置能产生电压和电流。此外，在hBN-纤维素纳米片中还观察到电荷状态波动和自发极化现象。密度泛函理论计算也支持了这些实验结果的解释。

总体而言，3D打印技术正朝着工业化方向迅速发展，而采用类似氮化硼的高功能材料有望进一步推动这一发展。