Недавно вышла новая публикация «Активированный углерод в третьем измерении — 3D-печать настроенным пористым углеродом», в которой рассказывается об изучении 3D-печати на металле. Команда учёных из Дармштадского Технического Университета (Германия) экспериментировали со стереолитографическим методом (SLA) 3D-печати, чтобы создать новую форму механически устойчивых структур.

Пористость при 3D-печати: устраняем проблему при помощи активированного углерода
Схематический обзор процесса 3D-печати, начиная с жидкого фоторезиста, затем производства пористой полимерной структуры с открытыми ячейками (тетрагональная элементарная ячейка) путём стереолитографической 3D-печати и последующей экстракции порогенной фазы, в конечном итоге при термической обработке получая структуру с открытыми ячейками из активированного углерода.

Обычно получаемый в виде порошка углерод может быть классическим чёрным, активированным или наноматериалом. Тем не менее, часто уровни проводимости в этих типах порошка являются низкими, что приводит к омическим потерям и более ограниченным функциональным возможностям для сфер применений, таких как:

  • Электроэнергетика;
  • Преобразование солнечной энергии;
  • Энергосбережение;
  • Газоразделение;
  • Водоочистка.

Учёные ожидают, что недостатки углеродных материалов можно преодолеть с помощью монолитов, пен и регулярных пористых структур. С другой стороны, для конструкций, требующих гибкости, могут использоваться другие методы, такие как электронное или лазерное плавление, SLA, FFF 3D-печать и многое другое. Раньше технология робокастинг с использованием графена демонстрировала большой потенциал, но проблемы с пористостью заставляют исследователей двигаться дальше.

Распечатав макроскопическую структуру, исследователи выполнили несколько шагов, начиная с SLA 3D-печати, чтобы обеспечить контроль структуры детали, и добавляя жидкий пороген (пористый гипс), чтобы вызвать разделение фаз и сформировать шаблон. После извлечения полимер стабилизируется с помощью отверждения кислородом, после чего наступает конечная стадия — пиролиз.

По словам исследователей, при окончательной активации CO2 микропористость получающейся в результате структуры углерода может быть увеличена.

Пористость при 3D-печати: устраняем проблему при помощи активированного углерода
A) ИК-спектры фоторезиста после определённого времени отверждения в 3D-принтере содержат в себе 50% DEP в качестве порогена и 50% DVB, 50% PETA или 25% DVB плюс 25% PETA;
B) Конверсия ароматических и акрил/виниловых групп как функция времени отверждения в 3D-принтере для гомополимеризации DVB или PETA и сополимеризации DVB и PETA вместе с 50% DEP в качестве порогена.

Поскольку полимер превращается в углерод, первоначальная форма должна сохраняться. Исследовательская группа утверждает, что сначала должен быть найден подходящий мономер. В этом исследовании три различных первоначально использованных мономера не подходили для «предполагаемой стратегии синтеза», однако сополимер, состоящий как из мономера на основе акрилата, так и из ароматического мономера, дал «синергетический эффект».

В исследовании и в результате этого процесса было критически важно, чтобы сополимеризация происходила во время фотополимеризации изнутри SLA 3D-принтера, представляя единственный путь для интеграции медленно реагирующего DVB. Исследователи также заявили, что в рамках этого исследования они не искали параллельную гомополимеризацию, поскольку это могло бы разделить полимеры и вызвать отрицательные последствия во время пиролиза.

Как заявили исследователи, этот новый и гибкий подход к иерархически структурированным углеродным материалам прокладывает путь к идентификации и применению оптимизированных углеродных материалов в различных областях применения. Приложения, в которых можно использовать соединённую структуру, например, из-за более высокой электрической или теплопроводности, выигрывают: электроды, оптимизированные для работы с компьютером в электрохимических применениях, являются очень многообещающей областью.

В то время как исследователи, возможно, изучили более сложные способы создания структур из углерода, было обнаружено и много других применений: от чернил из углеродных нанотрубок до композитов из углеродного волокна и даже композитов с эффектом памяти формы.

Пористость при 3D-печати: устраняем проблему при помощи активированного углерода
A, B) СЭМ-изображения углеродной спирали, напечатанной на 3D-принтере, с концентрацией красителя 0,8 мг/мл и толщиной слоя 20 мкм;
C) Углеродная структура с открытыми ячейками на основе тетраэдрической элементарной ячейки и 3D-печати с концентрацией красителя 0,4 мг/мл и высотой слоя 100 мкм, выдерживающей вес стального цилиндра 1,7 кг.

Другие интересные статьи