一组研究人员最近在《华尔街日报》发表了一篇论文加法制造证明使用三维(3 d)的可行性印刷导电碳化硅(SiC)陶瓷制造使用增值税光聚合3 d打印技术来解决与温度有关的电性质的传统导电陶瓷(ECCs)在高温下。
研究:3 d打印的导电碳化硅。图片来源:马可好/ Shutterstock.com
背景
导电陶瓷(ECCs)用于多个应用程序,如电池、气体传感器、燃料电池,催化剂支持,由于其高导热系数,增强的磨损和耐蚀性,和更大的刚度在升高的温度下。
虽然ECC的致密结构促进更高的导热系数,它阻碍了陶瓷的热管理能力。因此,ECC通常显示一个与温度有关的高温电行为。
ECC的结构设计必须在几个长度尺度,从宏观到纳米,开发一个导电陶瓷显示高导电性和电子稳定温度高于600oC。
然而,容易加工陶瓷成复杂的形状由于其脆性性质是困难的。加法制造(点)/ 3 d打印技术被认为是一个合适的方法来制作,3 d打印的ECCs与定制架构。
目前,ECC的研究也主要是集中在半导体的使用,比如原文如此,3 d打印技术的输入材料和制造使用粘结剂喷射或直接墨水写作技巧。
然而,印刷使用这些结构是技术演示分辨率有限,不具备所需的电性质实现实际应用,如催化剂和微波光学。
不同的3 d打印技术中,增值税光聚合3 d打印技术更适合打印细胞——或者以格状陶瓷因为它允许精确操纵印刷宏观结构和高分辨率印刷的特性。
post-heat-treatment获得的空心陶瓷结构的陶瓷印刷使用增值税光聚合技术是轻量级和展示类似的刚度作为固体陶瓷。
此外,填充材料分布均匀的三维空间点过程中由于分层技术配置的印刷技术,促进导电性的装配式结构。
这项研究
在这项研究中,研究人员使用增值税光聚合3 d打印技术,自底向上的加法制造方法,制作三维导电SiC陶瓷体系结构,同时具有低导热系数、高导电性。
介孔二氧化硅具有纳米级的多孔结构和较高的比表面积是用作原料材料有效地实现保温的特点。石墨烯导电填充材料,被纳入陶瓷混合,使陶瓷的导电网络的形成。
最初,聚(乙二醇)丙烯酸(PEGDA),制成石墨烯,15 wt %介孔二氧化硅混合获得石墨烯/硅混合物。0.5 wt % phenylbis (2、4、6-trimethylbenzoyl)膦氧化物被添加到混合好了紫外线(UV)光的光。此外,0.04 wt % 2-nitrophenyl苯基硫化,光吸收,也方便了高分辨率印刷。
多孔硅和石墨烯的重量比率变化从0.015 wt % 0.1 wt %。分散剂被添加到混合两个wt % PEGDA防止固体颗粒的沉降和聚合。超声发生器是用来混合的前兆了两个小时准备石墨烯/硅墨水。
编程的切片软件是利用切片三维计算机辅助设计(CAD)模型与50μm掩模图像层厚度,而编程控制软件来构建平台运动和掩模图像投影同步。
随后,一个定制的掩模图像projection-based增值税光聚合打印机采用的是多孔硅/石墨烯纳米复合材料。像印制的3 d结构陶瓷烧结使用的火花等离子烧结(SPS)的过程。
扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA),和高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)被用于烧结印刷导电陶瓷的特性。研究人员还测量了密度、导电性和导热性,和评估印刷样品的力学性能。
观察
三维导电多孔碳化硅陶瓷样本成功使用增值税光聚合印刷技术制作的。
石墨烯的合成感光油墨是黑暗内容有效地吸收光从可见到近紫外线区域,从而影响印刷质量通过阻止光线穿透在增值税光聚合印刷油墨。
因此,一个1080 p投影机385 nm紫外线是用作掩模图像光源projection-based增值税后光聚合体系的吸收光谱测量石墨烯/硅墨水。
虽然高紫外线强度治愈墨水速度,观察到的最大单层固化深度为0.217毫米,和没有进一步增加固化深度观察甚至紫外线强度更高。增值税光聚合印刷层厚度是0.05毫米印刷结构具有良好的结构完整性。
graphene-silica纳米复合材料,石墨烯片嵌入多孔硅脚手架。热解后,石墨烯渗透到了硅氧烷网络,形成了强劲的SiC-silica矩阵。
印刷样品的无定形结构被观察到当烧结温度小于1400°C,而β-phase SiC和二氧化硅方石英被观察到1400°C,表明硅氧键的一部分取代硅碳债券和多孔硅原料是惰性和高温环境中结晶。
碳物质,没有形成硅碳债券是扩散硅骨架和创建大量的孔隙。此外,新毛孔形成羰基和亚甲基组的挥发气体。这两个因素起到了至关重要的作用在限制明显的高温收缩。因此,没有观察到显著收缩在印刷和烧结样品。
介孔结构被观察到在烧结导电陶瓷,与10 - 150纳米孔隙大小。显示的3 d打印的导电陶瓷导热系数很低,从62年到88 mW /可。在观察热导率略有增加石墨烯浓度的上升由于强烈的石墨烯平面成键。
印刷多孔样本有效绝缘传热,和样品温度被成功地维持在89.2°C,指示其优异的热性能。
0.02 wt %石墨烯/硅样品抵挡46.625 MPa的最大压应力,而最高的压缩应变0.142在失败中观察到导电陶瓷为0.10 wt %石墨烯/二氧化硅纳米复合材料。
SPS治疗0.10 wt %石墨烯/硅graphene-silica纳米复合材料显示的最大抗压强度57.947 MPa,未经处理的样品相比高出96.19%,表明SPS治疗有效地强化了样品的力学性能。
提高石墨烯的导电性增加浓度从0.02到0.1 0 wt %,表明由于石墨烯渗流导电通路的形成。最高的电导率是680年代−1在印刷导电陶瓷,更高的比传统导电陶瓷复合材料由于高的比表面积的多孔硅原料提供的石墨烯渗流。
最小和最大3 d打印的陶瓷的体积密度值是0.366 g厘米30.897 g厘米3分别和示例展示了一个非常轻量级的结构。此外,3 d打印的导电陶瓷显示稳定的电气性能使用时在一个电路由64个发光二极管(led)和一个5 v DC-powered单片机板。
印刷陶瓷保持恒定电阻率从室温到600°C因其良好的热管理能力,表明3 d打印的SiC不易温度变化。此外,多孔结构创造了热障维护稳定的导电性和保护导电网络。
总而言之,这项研究的结果显示了使用3 d打印的可行性导电多孔碳化硅陶瓷在高温环境中的应用程序操作和有效的策略来解决与温度有关的传统金属导体的电性质。
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源
Chivate,。、Khuje年代。阿姆斯特朗,J。等。3 d打印的导电碳化硅。加法制造2022年。https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103109
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