순도 97%의 복잡한 흑연 부품을 3D 프린팅하는 데 성공한 과학자들

텍사스주 라이스대학교 연구진이 DIW(직접 잉크 쓰기) 3D 프린팅을 사용하여 복잡한 흑연 구조를 제작하는 새로운 방법을 개발했습니다.

흑연을 사용하여 3D 프린팅하려는 이전 시도에는 일반적으로 분말 형태의 재료를 폴리머 매트릭스에 통합하는 것이 포함되었습니다. 압출 기반 기술을 사용하면 기계적으로 건전한 구조를 만드는 것이 가능하지만 생성된 복합재는 종종 중량 기준으로 50% 미만의 흑연으로 구성됩니다. 따라서 지금까지 3D 프린팅된 흑연 부품은 순수 흑연을 그토록 바람직하게 만드는 열적 및 전기적 특성을 실제로 제공하지 못했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Rice 연구진은 흑연 분말과 극소량의 점토로 만든 콜로이드 3D 인쇄 가능 잉크를 개발하여 최대 97% 순도의 복잡한 DIW 부품을 만들었습니다.

흑연: 극한의 광물

흑연은 탄소의 가장 유용한 동소체 중 하나로 간주되며 다양한 산업적 응용이 가능합니다(그렇습니다. 단순한 연필심 이상의 역할을 합니다).

층상 2D 원자 구조를 자랑하는 이 소재는 여러 고성능 윤활제의 핵심 성분입니다. 흑연은 또한 뛰어난 열적, 화학적 안정성을 제공하므로 용융 금속 도가니 및 원자로 노심에 필요한 극한 환경 조건을 견딜 수 있습니다. 또한 이 소재의 악명 높은 전기 전도성으로 인해 배터리, 전기 접점, 심지어 유연한 전자 장치에도 완벽한 후보가 됩니다.

불행하게도 고온 처리 문제와 재료의 본질적인 취약성으로 인해 기존 합성 방법을 사용하여 흑연으로 만들어진 복잡한 기하학적 부품을 만드는 것은 매우 어려운 경우가 많습니다. 이 문제는 3D 프린팅으로 해결할 수 있습니다.

97% 흑연 부품을 3D 프린팅하는 방법

고농도 흑연 잉크는 흑연 플레이크가 채워진 수조에 소량의 규산염 나노클레이(3~10wt%)를 첨가하여 제조되었습니다. 나노클레이는 궁극적으로 결합제 역할을 하여 흑연 플레이크가 생성된 복합 잉크에 균일하게 분포되도록 했습니다. 또한 점토를 첨가하면 재료의 점도가 크게 증가하여 실온에서 DIW를 통해 압출이 가능해졌습니다. 반면, 흑연 전용 잉크는 압력을 받아 분리되면서 3D 프린터 노즐을 막는 현상이 발견됐다.

3D 프린팅 시 나노클레이 첨가제의 효과는 최종 3D 구조에서 매우 뚜렷이 나타났습니다. 연구에 참여한 모든 프린팅된 테스트 대상은 뛰어난 구조적 안정성을 보였으며 기하학적으로 복잡함에도 불구하고 자체 무게를 전혀 문제 없이 지탱할 수 있었습니다. 공기 건조 후에도 부품은 흑연 전용 잉크에 비해 에너지 흡수 능력이 향상되어 원래 모양을 유지했습니다.

Rice 팀은 이미 여러 흑연 응용 분야에 새로운 97% 순도 제제를 사용했습니다. 여기에는 주석을 주조하는 데 사용되는 3D 프린팅 금형, LED 조명에 사용되는 흑연 전기 회로, 물을 끓는점까지 가져올 수 있는 3D 프린팅 발열체가 포함됩니다.

연구에 대한 자세한 내용은 '복잡한 흑연 구조의 3차원 인쇄'라는 제목의 논문에서 확인할 수 있습니다. Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat 등이 공동 저술했습니다.

흑연과 그 단일층 형태인 그래핀은 3D 프린팅 분야 안팎에서 많은 연구 주제입니다. 버팔로 대학교 연구진은 최근 대규모 폐수 처리가 가능한 새로운 3D 프린팅 정수 그래핀 에어로겔을 개발했습니다. 스티로폼 같은 에어로겔, 격자형 그래핀, 생체 영감을 받은 두 개의 폴리머로 구성된 이 새로운 소재는 식수에서 염료, 금속 및 유기 용매를 100% 효율적으로 제거할 수 있습니다.

다른 곳에서는 FAMU-FSU 공과대학의 과학자들이 최적화된 전도성 품질을 갖춘 3D 프린팅 그래핀 기반 구조를 위한 매개변수 세트를 개발했습니다. 일련의 테스트 실행 후 팀은 인쇄 압력 및 노즐 직경과 같은 요소가 복합재의 특성에 영향을 주지만 특정 인쇄 속도에서는 입자가 지정된 방식으로 정렬되도록 만들 수 있음을 발견했습니다.