莱斯大学科学家采用DIW技术成功打印出纯度97%的石墨零件

导读：2021年6月24日，南极熊了解到，来自德克萨斯州莱斯大学的一组研究人员开发了一种使用浆料直写成型技术（Direct Ink Writing，DIW) 3D 打印复杂石墨结构的新方法，采用DIW方法打印出的石墨配件纯度可以达到97%。

众所周知，以前用石墨进行3D打印的尝试通常涉及将粉末形式的材料整合到聚合物基质中。然后使用基于熔融、挤压的技术（多为FDM），然后可以创建机械性能完好的结构，但由此产生的复合材料包含的石墨重量通常不到50%。因此，目前的3D打印石墨部件还不能真正提供纯石墨所具有的优异热性能和电特性，这与3D打印出的石墨件纯度有很大关系。

为了解决这个问题，莱斯大学Rice团队的研究人员开发了一种由石墨粉和微量粘土制成的可3D打印胶体墨水，它可以实现了纯度高达97%的复杂DIW部件打印。

△通过direct ink writing (DIW) 3D打印的石墨结构。图片来自莱斯大学。

石墨——高性能矿物

石墨被认为是最有用的碳同素异形体之一，它有很多工业应用。这种材料具有分层的2D原子结构，是多种高性能润滑剂的关键成分。石墨还具有出色的热稳定性和化学稳定性，这使其能够承受熔融金属坩埚和核反应堆堆芯所需的极端环境条件。此外，石墨材料的高导电性也使其成为电池、电触点甚至柔性电子产品的理想选择。

但是，由于高温加工的挑战和材料固有的脆性，使用传统的合成方法来制造由石墨制成的复杂几何零件通常非常困难，这是3D打印能够解决的问题。

石墨零件成型过程

DIW的高浓度石墨油墨是通过将少量硅酸盐纳米粘土（3–10 wt%）添加到充满石墨薄片的水浴中配制而成的。纳米粘土最终充当粘合剂，确保石墨薄片均匀分布在所得复合油墨中。添加粘土还显著增加了材料的粘度，使其可在室温下通过DIW挤出。相比之下，发现仅含石墨的墨水会堵塞3D打印机的喷嘴，同时在压力下分离。

△3D打印石墨部件的SEM成像。图片来自莱斯大学

当进行3D打印时，纳米粘土添加剂的效果在最终的3D结构中非常明显。研究中的所有打印测试对象都表现出出色的结构稳定性，并且可以毫无悬念地支撑自身重量，尽管几何形状复杂。即使在风干后，与纯石墨墨水相比，这些部件仍能保持其原始形状，并且吸收能量的能力有所提高。

Rice团队已经将这种新型的高浓度墨水配方用于多种石墨应用，这包括用于铸造锡的3D打印模具、用于点亮 LED的石墨电路以及能够将水加热到沸点的3D打印加热元件。

△3D打印铸模、3D打印电路和3D打印加热元件。图片来自莱斯大学

关于该研究的更多细节可以在题为“Three-dimensional printing of complex graphite structures”的论文中找到。它由Seyed Mohammad Sajadi、Shayan Enayat 等人合著。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0008622321004978
在其他方面，石墨及其单层形式石墨烯是3D打印领域内外众多研究的主题。来自布法罗大学的研究人员最近开发了一种新的可净水的3D打印石墨烯气凝胶，能够大规模处理废水。这种新型材料由类似泡沫聚苯乙烯的气凝胶、格状石墨烯和两种仿生聚合物组成，能够以100%的效率去除饮用水中的染料、金属和有机溶剂。

此外，在FAMU-FSU工程学院，科学家们为3D打印基于石墨烯的结构开发了一个参数集，具有优化的导电质量。经过一系列测试运行后，该团队发现，虽然打印压力和喷嘴直径等因素会影响复合材料的性能，但在特定的打印速度下，其颗粒可以以特定的方式排列。