氣凝膠是具有高比表面積（500–1,000 m2 g-1）和低密度（0.001–0.200 g cm-3）的介孔溶膠-凝膠材料，由于其超低導熱性（低至12 mW m?1 K?1）而被歸類為超級絕緣體。二氧化硅氣凝膠是迄今為止研究最多和使用最廣泛的氣凝膠類型。該產品可批量用于工業(yè)和建筑保溫，市場增長迅速，每年約2.2億美元。盡管氣凝膠可以具有極高的強度重量比，但二氧化硅氣凝膠通常很脆，不可能通過減法加工來加工。氣凝膠的增材制造的可行性已被證明適用于石墨烯，氧化石墨烯，氮化碳，金，間苯二酚甲醛和纖維素，但“實驗困難重重，可能不適用于二氧化硅氣凝膠”。二氧化硅顆粒是3D打印的常見添加劑，但是尚未建立純二氧化硅氣凝膠的增材制造方案。最近對生物聚合物-二氧化硅混合氣凝膠的研究，發(fā)現它們的形狀保真度較差。另外，生物聚合物添加劑保留在最終產品中，這導致有限的溫度穩(wěn)定性和高熱傳導性。
近日，瑞士聯邦材料科學與技術研究所Wim J. Malfait（通訊作者）和Shanyu Zhao（通訊兼第一作者）用正戊醇基硅溶膠中的硅氣凝膠粉末通過直寫成型技術打印純硅氣凝膠物體。相關成果以“Additive manufacturing of silica aerogels”為題發(fā)表于Nature上。
戊醇的低蒸汽壓（比20℃時的水低18倍）可防止干燥引起的表面損壞，即使在長時間打印時也是如此。對于微型化應用，使用工業(yè)級二氧化硅氣凝膠粉所產生的額外成本可以忽略不計。凝膠顆粒的高負載量意味著墨水表現出直寫墨水所需的剪切稀化行為。聚（丙二醇）雙（2-氨基丙醚）的加入增加了油墨的粘度，防止了固液相分離，并改善了溶膠-凝膠轉變過程中的均勻性。這種墨水的保質期超過20天。在打印過程中，由于剪切變稀，墨水很容易流過噴嘴，但是由于在沒有剪切的情況下粘度迅速增加，因此長絲在打印后仍保持其形狀。物體已用低至100μm的燈絲和噴嘴直徑進行打印。
圖2顯示的是研究人員以高保真度和高精度打印了各種氣凝膠物體，包括蜂窩、3D晶格和多層連續(xù)膜。打印的長絲保留具有結構清晰的直徑的圓形橫截面。油墨的流變性可以適應以下應用：較高的粘度對于具有較大懸垂（高達45°）和跨度較大的開放式結構；較低的粘度，使長絲能夠融合成連續(xù)的膜而沒有空隙。原始氣凝膠顆粒嵌入由硅溶膠衍生的低密度氣凝膠基質中。這些密度更大的顆粒通過直接的顆粒接觸形成了一個互鎖的顆粒堆積。
二氧化硅氣凝膠對低溫應用沒有較低的溫度限制。在較高溫度下，輻射傳導增加。令人驚訝地，打印的氣凝膠具有比二氧化硅氣凝膠粉末原始材料更高的熱穩(wěn)定性。印刷的樣品具有與標準二氧化硅氣凝膠相似的抗壓強度和拉伸強度，但是具有更好的機械加工性，這可能是因為在較低密度的基質中具有高密度氣凝膠顆粒的結構限制了裂紋的擴展。如果需要更高的機械強度，則表明聚合物增強可將楊氏模量提高九倍，最大抗壓強度提高七倍。
精確和可重復打印不同尺寸和幾何形狀的超絕緣硅膠物體的能力，使新的絕緣應用成為可能。圖3熱處理實驗表明，熱成像的溫度變化與打印氣凝膠絕緣體的厚度直接相關，再加上適當放置的熱導體和散熱片，硅膠的超低導熱系數和復雜幾何形狀的容易制造，為熱控制提供了新的機會。演示實驗對電路板和熱敏元件都得到了很好的熱保護作用，有望用于局部發(fā)熱的植入物、可穿戴設備、微機電系統(tǒng)、智能手機和光學設備。
圖4展示的是另一個應用涉及使用氣凝膠膜作為熱蒸發(fā)氣泵。當熱梯度應用于直徑接近氣體分子的平均自由程長度的毛細管時，熱蒸騰會產生氣流。二氧化硅氣凝膠具有高的中孔體積和低的熱導率，可確保維持陡峭的熱梯度。研究人員打印了一層薄的二氧化硅氣凝膠膜，其頂層包含MnO2微球，這可以實現在光輻射下，膜的MnO2一側變熱，建立了熱蒸發(fā)驅動的氣流穿過整個膜，而作為氣流含有的揮發(fā)性有機化合物（VOC；例如甲苯）可以被MnO2顆粒光熱催化降解。
綜上所述，本文的增材制造方案可生產出具有高精度和形狀保真度的二氧化硅氣凝膠物體，并具有包括其他功能和出色的材料特性在內的靈活性，其中最引人注目的是超低導熱率和高介孔性。3D打印過程避免了減法制造的問題，并為二氧化硅氣凝膠開辟了新的應用領域。對于隔熱材料，增材制造將實現微型化應用（例如便攜式設備和消費電子產品），從而增加工業(yè)和建筑隔熱材料中現有的二氧化硅氣凝膠市場。此外，將顆?；蚓酆瞎倌軋F輕松結合到墨水中與多材料打印相結合，可以生產具有空間變化功能的物體。這將硅氣凝膠的電、磁、光學、化學和醫(yī)學應用推向了前沿，并將允許氣凝膠相（及其可調功能）集成到先進的多材料體系結構中。
