Ученые успешно напечатали на 3D-принтере сложные графитовые детали чистотой 97 %.

Команда исследователей из Университета Райса, штат Техас, разработала новый метод изготовления сложных графитовых структур с использованием 3D-печати прямого письма (DIW).

Предыдущие попытки 3D-печати графитом обычно включали интеграцию порошкообразного материала в полимерную матрицу. Используя технологии, основанные на экструзии, можно создавать механически прочные конструкции, но получаемые композиты часто содержат менее 50% графита по весу. Таким образом, графитовые детали, напечатанные на 3D-принтере, до сих пор не обладали теми тепловыми и электрическими свойствами, которые делают чистый графит столь желанным.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Райса разработали коллоидные чернила для 3D-печати, изготовленные из графитового порошка и незначительного количества глины, позволяющие получать сложные детали DIW с чистотой до 97%.

Графит: минерал крайностей

Графит считается одним из наиболее полезных аллотропов углерода, и у него есть целый ряд промышленных применений (да, это больше, чем просто грифель карандаша).

Обладая слоистой двухмерной атомной структурой, этот материал является ключевым ингредиентом в ряде высокоэффективных смазочных материалов. Графит также обладает превосходной термической и химической стабильностью, что позволяет ему выдерживать экстремальные условия окружающей среды, необходимые для тиглей с расплавленным металлом и активных зон ядерных реакторов. Кроме того, общеизвестно высокая электропроводность материала делает его идеальным кандидатом для изготовления батарей, электрических контактов и даже гибкой электроники.

К сожалению, из-за проблем, связанных с высокотемпературной обработкой и внутренней хрупкостью материала, использование традиционных методов синтеза для создания сложных геометрических деталей из графита часто оказывается чрезвычайно трудным — проблема, которую способна решить 3D-печать.

Как печатать на 3D-принтере детали, содержащие 97% графита

Графитовые чернила высокой концентрации были приготовлены путем добавления небольшого количества силикатной наноглины (3–10 мас.%) в водяную баню, наполненную графитовыми хлопьями. В конечном итоге наноглина действовала как связующий агент, обеспечивая равномерное распределение графитовых хлопьев в полученных композитных чернилах. Добавление глины также значительно увеличило вязкость материала, что сделало его пригодным для экструдирования посредством DIW при комнатной температуре. Напротив, было обнаружено, что чернила, содержащие только графит, забивают сопло 3D-принтера, отделяясь при этом под давлением.

При 3D-печати эффект добавки наноглины был очень очевиден в конечных 3D-структурах. Все напечатанные тестовые объекты в исследовании продемонстрировали превосходную структурную стабильность и могли без проблем выдерживать собственный вес, несмотря на то, что они были геометрически сложными. Даже после сушки на воздухе деталям удалось сохранить свою первоначальную форму с улучшенной способностью поглощать энергию по сравнению с чернилами, содержащими только графит.

Команда Райса уже использовала свою новую формулу с чистотой 97% для нескольких применений графита. Сюда входят 3D-печатные формы, используемые для отливки олова, графитовая электрическая схема, используемая для освещения светодиодов, и 3D-печатный нагревательный элемент, способный доводить воду до точки кипения.

Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье «Трехмерная печать сложных графитовых структур». Его соавторами являются Сейед Мохаммад Саджади, Шаян Энайят и др.

Графит и его однослойная форма, графен, являются предметом многочисленных исследований как в секторе 3D-печати, так и за его пределами. Исследователи из Университета Буффало недавно разработали новый графеновый аэрогель, напечатанный на 3D-принтере и способный очищать воду в крупных масштабах. Состоящий из пенополистирольного аэрогеля, решетчатого графена и двух биологических полимеров, новый материал способен удалять красители, металлы и органические растворители из питьевой воды со 100% эффективностью.

В другом месте, в Инженерном колледже FAMU-FSU, ученые разработали набор параметров для 3D-печати структур на основе графена с оптимизированными проводящими качествами. После серии тестовых запусков команда обнаружила, что, хотя такие факторы, как давление печати и диаметр сопла, влияют на свойства композита, при определенных скоростях печати его частицы можно заставить выровняться определенным образом.