二氧化矽氣凝膠具有極低的熱導率和其獨特的開孔結構，在隔熱、催化、物理、環境修複、光學設備和超高速粒子捕獲等方麵有著廣泛的應用。它的一個(ge) 主要缺點是較脆。雖然在一些體(ti) 積較大的應用如建築隔熱設計方麵，可以利用纖維增強或者膠黏劑的方法解決(jue) 較脆的問題。但是，在製備小型二氧化矽氣凝膠時仍然受到限製。增材製造為(wei) 小型化提供了思路，但一直被認為(wei) 不適用於(yu) 製備二氧化矽氣凝膠。近日，瑞士聯邦材料實驗室的趙善宇研究員、Wim J. Malfait研究員合作利用3D打印技術將二氧化矽氣凝膠顆粒與(yu) 二氧化矽溶膠結合，首次成功製備出微型二氧化矽氣凝膠。該氣凝膠隻含二氧化矽，且比表麵積高達751 m2/g，熱導率僅(jin) 為(wei) 15.9 mW/(m·K)。該研究以題為(wei) “Additive manufacturing of silica aerogels”發表在《Nature》上。

【增材製造的過程】

作者將粒徑尺寸為(wei) 4–20 μm的二氧化矽氣凝膠顆粒加入到二氧化矽/1-戊醇的溶膠中，形成漿料，然後通過3D打印製備了小型的二氧化矽氣凝膠材料。戊醇的蒸氣壓較小（20 oC下是水的1/18），避免了氣凝膠在幹燥過程中表麵的破壞。在膠體(ti) 顆粒含量超過40 vol%時，墨水表現出了剪切稀化的流變行為(wei) ，能夠保證3D打印過程中順利書(shu) 寫(xie) ，且書(shu) 寫(xie) 後由於(yu) 剪切力消失，打印的形狀能夠完全保持下來。打印之後，經過氨氣和超臨(lin) 界幹燥的過程就可以得到二氧化矽氣凝膠的成品。

圖1 增材製造製備二氧化矽氣凝膠的過程示意圖

【二氧化矽氣凝膠的形貌】

作者通過控製可以製備出不同結構的二氧化矽氣凝膠，如圖2所示。而通過控製墨水的粘度可以控製氣凝膠內(nei) 部的氣孔大小。內(nei) 部的形貌顯示出了互鎖的結構。氮氣吸附測試結果表明，氣凝膠的比表麵積為(wei) 697-751 m2/g，孔徑為(wei) 11.8-12.6 nm。室溫下的熱導率僅(jin) 為(wei) 15.9 mW/(m·K)。此外，更有意思的是，得到的氣凝膠比氣凝膠顆粒原料具有更優(you) 異的熱穩定性。

圖2 二氧化矽氣凝膠的微觀結構、氣體(ti) 吸附性能和熱穩定性

【氣凝膠在熱管理方麵的應用】

隨後，作者製備了不同尺寸和厚度的二氧化矽氣凝膠，研究了其在熱管理方麵的應用。結果表明，無論放置在150 ℃還是-20 ℃的基板下，氣凝膠的厚度越大，其表麵與(yu) 基板的溫差也越大。同時，將其打印成一定形狀用於(yu) 隔絕電路板的熱量，其表麵溫度比同厚度下的商用材料低12 ℃。展現出在電子器件領域熱管理方麵良好的應用前景。

圖3 二氧化矽氣凝膠的熱管理應用

【氣凝膠在氣體(ti) 吸附和分解方麵的應用】

此外，作者還將二氧化錳加入墨水中，製備出具有優(you) 異蒸騰氣泵性能的功能氣凝膠。該氣凝膠表現出了極好的吸附能力，並且在光催化條件下，能將有害氣體(ti) （如甲苯等）有效分解。

圖4 氣凝膠在氣體(ti) 吸附和分解中的應用

【總結】作者利用增材製造首次實現了對於(yu) 小型二氧化矽氣凝膠的精確製備。該氣凝膠表現出了極高的比表麵積和極低的熱導率。隨著電子器件向小型化和集成化的快速發展，其在電子器件的熱管理方麵表現出極好的應用價(jia) 值。同時，通過調控原料組分，該氣凝膠有望用於(yu) 電、磁、化學和醫療等眾(zhong) 多領域。