德克薩斯州萊斯大學的一組研究人員開發了一種使用直接墨水書寫 (DIW) 3D 打印制造復雜石墨結構的新方法。以前用石墨進行3D打印的嘗試通常涉及將粉末形式的材料整合到聚合物基質中。使用基于擠壓的技術，然后可以創建機械上完好的結構，但由此產生的復合材料通常只包含不到 50% 的石墨重量。因此，迄今為止，3D 打印石墨部件還沒有真正提供使純石墨如此受歡迎的熱和電特性。
為了解決這個問題，萊斯大學的研究人員開發了一種由石墨粉和微量粘土制成的膠體 3D 可打印墨水，實現了純度高達 97% 的復雜 DIW 部件。
通過直接墨水書寫 3D 打印的石墨結構。圖片來自萊斯大學。
石墨：極端礦物
石墨被認為是最有用的碳同素異形體之一，它有很多工業應用（是的，它不僅僅是鉛筆芯）。該材料具有分層的 2D 原子結構，是多種高性能潤滑劑的關鍵成分。石墨還具有出色的熱穩定性和化學穩定性，使其能夠承受熔融金屬坩堝和核反應堆堆芯所需的極端環境條件。此外，該材料眾所周知的高導電性也使其成為電池、電觸點甚至柔性電子產品的理想選擇。不過，由于高溫加工的挑戰和材料固有的脆性，使用傳統的合成方法來制造由石墨制成的復雜幾何零件通常非常困難——這是 3D 打印能夠解決的問題。
3D 打印石墨部件的 SEM 成像。圖片來自萊斯大學。
如何 3D 打印 97% 的石墨部件
高濃度石墨油墨是通過將少量硅酸鹽納米粘土（3 – 10 wt%）添加到充滿石墨薄片的水浴中配制而成的。納米粘土最終充當粘合劑，確保石墨薄片均勻分布在所得復合油墨中。添加粘土還顯著增加了材料的粘度，使其可在室溫下通過 DIW 擠出。相比之下，發現僅含石墨的墨水會堵塞 3D 打印機的噴嘴，同時在壓力下分離。
當 3D 打印時，納米粘土添加劑的效果在最終的 3D 結構中非常明顯。研究中的所有打印測試對象都表現出出色的結構穩定性，盡管幾何形狀復雜，但可以毫無問題地支撐自身重量。即使在風干后，與純石墨墨水相比，這些部件仍能保持其原始形狀，并且吸收能量的能力有所提高。
Rice 團隊已經將其新穎的 97% 純度配方用于多種石墨應用。這包括用于鑄造錫的 3D 打印模具、用于點亮 LED 的石墨電路以及能夠將水加熱到沸點的 3D 打印加熱元件。
3D 打印鑄模、3D 打印電路和 3D 打印加熱元件。圖片來自萊斯大學。
石墨及其單層形式石墨烯是 3D 打印領域內外眾多研究的主題。布法羅大學的研究人員最近開發了一種新的 3D 打印凈水石墨烯氣凝膠，能夠大規模處理廢水。這種新型材料由類似泡沫聚苯乙烯的氣凝膠、格狀石墨烯和兩種仿生聚合物組成，能夠以 100% 的效率去除飲用水中的染料、金屬和有機溶劑。
在其他地方，在 FAMU-FSU 工程學院，科學家們為 3D 打印基于石墨烯的結構開發了一個參數集，具有優化的導電質量。經過一系列測試運行后，該團隊發現，雖然打印壓力和噴嘴直徑等因素會影響復合材料的性能，但在特定的打印速度下，其顆粒可以以特定的方式排列。
來源：中國3D打印網
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高經理
