3D打印氣凝膠的研究現(xiàn)狀

氣凝膠是指將濕凝膠中的液體組分替代成氣體而形成的多孔固態(tài)納米材料，氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予其非凡的性能，使其具有廣泛的應(yīng)用，在隔熱、能量?jī)?chǔ)存、催化、環(huán)境處理和電磁波屏蔽等領(lǐng)域具有重要意義。但氣凝膠的傳統(tǒng)制備方法通過(guò)在相應(yīng)的模具中制成凝膠，再經(jīng)過(guò)固化、干燥處理（常壓干燥、冷凍干燥或超臨界干燥）除去液體組分形成氣凝膠材料，導(dǎo)致制備具有復(fù)雜形狀的氣凝膠材料通常需要定制對(duì)應(yīng)的模具。這種方法價(jià)格昂貴也不夠環(huán)保，不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求，因此，亟需可個(gè)性化定制具有復(fù)雜形狀的新型制造技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。相比之下，利用3D打印技術(shù)制備氣凝膠既不需要額外定制模具，又可以創(chuàng)建更復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，從而明顯簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程、降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，3D打印氣凝膠內(nèi)部的宏觀多孔結(jié)構(gòu)可以借助數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)控，從而達(dá)到調(diào)整3D打印氣凝膠的吸附、傳質(zhì)和導(dǎo)電等性能的目的，使其可以被應(yīng)用在各種特殊場(chǎng)景中。本文對(duì)3D打印氣凝膠的發(fā)展進(jìn)行了梳理和總結(jié)，介紹了可用于氣凝膠制備的3D打印技術(shù)，并闡述了3D打印氣凝膠的種類以及它們的可能應(yīng)用方向和領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)其未來(lái)發(fā)展的機(jī)遇、挑戰(zhàn)及如何助力相關(guān)領(lǐng)域的研究工作做出了展望。摘要：氣凝膠材料具有高比表面積、高孔隙率、低密度以及低熱導(dǎo)率等優(yōu)良性能，被認(rèn)為是21世紀(jì)的十大新材料之一。然而，傳統(tǒng)氣凝膠由于其力學(xué)性能有限，難以經(jīng)過(guò)后加工技術(shù)形成所需的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，無(wú)需復(fù)雜后處理，即定制化制備復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)材料的3D打印技術(shù)有望成為突破氣凝膠材料應(yīng)用瓶頸的先進(jìn)制造技術(shù)。該文從3D打印氣凝膠的技術(shù)種類和材料類型兩個(gè)方面，綜述了3D打印氣凝膠材料的研究進(jìn)展；歸納了3D打印氣凝膠材料在阻燃隔熱、介電和組織工程中的獨(dú)特應(yīng)用并展望了3D打印氣凝膠的發(fā)展趨勢(shì)。最后指出擴(kuò)寬3D打印氣凝膠材料的材料體系、開(kāi)發(fā)更適應(yīng)氣凝膠打印的3D打印技術(shù)、提升打印精度與速度和深入研究3D打印氣凝膠的可控孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響是未來(lái)的幾個(gè)重要的研究方向。3D打印氣凝膠材料的開(kāi)發(fā)有望促進(jìn)氣凝膠材料的快速發(fā)展。結(jié)論氣凝膠材料發(fā)展至今已有百年歷史，在各領(lǐng)域中的作用備受人們關(guān)注。但是傳統(tǒng)模板法制備的氣凝膠材料結(jié)構(gòu)單一，經(jīng)濟(jì)成本高，難以快速形成多種所需的定制化結(jié)構(gòu)，阻礙了氣凝膠在隔熱、生物、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。3D打印氣凝膠材料的開(kāi)發(fā)有效解決了上述問(wèn)題，并結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)氣凝膠不具備的性能。盡管在近年來(lái)的3D打印氣凝膠的發(fā)展歷程中，研究人員逐步發(fā)現(xiàn)且實(shí)現(xiàn)了材料多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化以及多功能化等特性。但3D打印氣凝膠仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，而在進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用方面依然面臨著諸多問(wèn)題。（1）3D打印氣凝膠材料的開(kāi)發(fā)方面。在諸多氣凝膠材料中，僅部分材料或其復(fù)合材料可成功用于3D打印技術(shù)，且大部分使用“膠體分散”法制作可供打印的墨水。相比于“膠體分散”法，“溶膠-凝膠”法是典型的凝膠形成方法并且依然是可以控制氣凝膠孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方法之一，但絕大部分以此法制備的有機(jī)或無(wú)機(jī)氣凝膠都難以制備出可用于3D打印或光固化打印的墨水，所以，這些材料的可3D打印化進(jìn)度依然比較緩慢。而冷場(chǎng)輔助DOD法可有效打印此類不適合擠出式打印的墨水，但這種方法的精度有限難以勝任高精細(xì)度要求的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，提高冷場(chǎng)輔助DOD法打印精度與提高此類墨水的黏度、黏彈性也是亟需解決的一大問(wèn)題。并且有限的材料體系也限制了3D打印氣凝膠在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)具有多功能的3D打印氣凝膠十分重要。（2）3D打印氣凝膠材料打印精度與速度的提升。迄今為止，雖然已有部分氣凝膠材料可通過(guò)擠出式打印制備具有一定精細(xì)度的三維結(jié)構(gòu)。但是在部分領(lǐng)域（介電、組織工程等）中，需要3D打印氣凝膠具有較高的精度從而設(shè)計(jì)并制造高精度的3D打印氣凝膠產(chǎn)品。但目前廣泛使用的擠出式3D打印技術(shù)受制于打印器械的精度與打印墨水的流變學(xué)性能，其打印精度有限。因此，開(kāi)發(fā)具有超高打印精度且可用于氣凝膠3D打印方法十分重要，例如：3D飛秒激光納米打印技術(shù)已實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的打印精度。除了打印精度以外，打印速度也是制約包括3D打印氣凝膠在內(nèi)的各類3D打印材料發(fā)展的重要因素。由于常用的擠出式打印法的打印過(guò)程是通過(guò)0.2~1.0mm粗細(xì)的線條不斷堆疊成型（即“線-面-體”的打印流程），其打印速度較低（10~30mm/s），導(dǎo)致其產(chǎn)能有限難以滿足工業(yè)級(jí)生產(chǎn)的需求。而以光固化打印尤其是LCD打印為代表的由“面”到“體”的打印方法的打印速度十分可觀，但目前可用于3D打印氣凝膠的光固化墨水的制備仍存在較大的困難，需要深入研究。（3）3D打印氣凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在3D打印氣凝膠的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)具有可設(shè)計(jì)多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的氣凝膠性能（熱導(dǎo)率、能源儲(chǔ)存能力）會(huì)因外加賦予的結(jié)構(gòu)而發(fā)生變化。到目前為止，少有研究人員關(guān)注如何通過(guò)優(yōu)化這些多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)從而獲得區(qū)別于或強(qiáng)于傳統(tǒng)氣凝膠的特殊性能（幾何拉伸、多級(jí)孔隙等）。（4）3D打印氣凝膠的行業(yè)發(fā)展前景。21世紀(jì)初，隨著氣凝膠制備技術(shù)的成熟，在美國(guó)出現(xiàn)了以AspenAerogel公司和美國(guó)卡博特公司為首的一批氣凝膠材料生產(chǎn)商，它們的出現(xiàn)推動(dòng)了全球氣凝膠產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。至2004年，國(guó)內(nèi)也陸續(xù)涌現(xiàn)出一批致力于氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)張。但是由于傳統(tǒng)模板法制備的氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)單一又難以后加工，因此，其產(chǎn)品形式簡(jiǎn)單（主要有氣凝膠