氮化硼（BN）在3D打印中的潛在應用及相關研究
時間：2024-07-23 10:09 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：將納米技術與3D打印技術相結合，可以將其應用潛力擴展到智能設計和智能結構領域。氮化硼（BN）等納米材料具有優異的機械、電氣和熱性能。通過3D打印技術靈活設計和制造產品，氮化硼顯示出潛在的應用前景，特別適用于能源儲存、醫療設備以及柔性電子產品。
氮化硼的特性和優勢
氮化硼是優良的電絕緣體，具有約5.97 eV的寬帶隙，表現出涂層平整和高度穩定的特性。因其獨特的界面特性和與其它納米材料協同效應的低庫侖散射，使它成為納米復合材料中理想的電介質、襯底和填料。氮化硼的六角結構類似于石墨的蜂窩結構，硼和氮之間的共價鍵強度高，而層間的范德華力較弱，使它在聲子主導的熱傳輸應用中成為理想的熱調節材料。
強大的B-N鍵賦予氮化硼優異的機械和化學穩定性，表現出極強的抗磨損和抗氧化能力。此外，該材料還具有良好的生物相容性，擴展了它在醫療領域的應用潛力。
3D打印中的應用
硼元素可提高3D打印結構的質量和性能，并被納入各種復合材料，用于專門的3D打印應用。例如，BN-聚合物復合材料可幫助3D打印出機械堅固、可自我維持的結構。這種高含量氮化硼的結構具有很高的物理可塑性和彈性，只需進行最少的后處理。
導熱氮化硼基復合材料在需要控制熱傳導和散熱的微電子器件中至關重要。除了熱管理應用外，這些復合材料還因其細胞相容性而適用于生物3D打印。
摻入BN的聚乙烯醇（PVA）纖維被探索用于個人冷卻應用中的熱控制紡織品。氮化硼確保纖維結構緊湊、分布均勻、取向適當，從而提高抗拉強度、導熱性和熱量分布均勻性。
由BN-PVA復合材料3D打印而成的紡織品的熱傳導性能是PVA紡織品的1.5倍，是棉織物的兩倍。此外，BN-PVA織物的冷卻能力比傳統棉織物高出約55%。
通過將BN與光敏聚合物(PSP)結合使用，還證明了氮化硼可用于3D打印支架。由于BN與PSP樹脂之間有效的界面相互作用，因此生成的支架在微硬度、阻尼和抗壓強度測試中表現良好。氮化硼良好的能量耗散特性和聚合物的粘彈性增強了3D打印支架的阻尼能力。
二維六方氮化硼（hBN）納米顆粒與離子液體相結合，可產生具有優異離子傳導性和機械性能的氣溶膠噴射打印離子凝膠。這些離子凝膠可用于打印薄膜晶體管(TFT)，利用hBN作為電介質，TFT可表現出優異的傳輸和輸出特性以及機械彎曲容差。這種3D打印晶體管是很有前途的電分析傳感平臺。
挑戰與限制
盡管氮化硼具備多種優勢特性，但在3D打印應用中，其實際應用目前主要局限于研究和開發階段。這主要因為3D打印過程中加工氮化硼面臨技術挑戰，特別是它堅固的B-N鍵結構對功能化處理的挑戰性。
例如，雖然在復合材料中添加大量氮化硼可以顯著增強導熱性，但也會降低其延展性，從而對于像醫療設備封裝等需要機械強度的應用而言，影響復合材料的加工性能。
為了打印出具有更大自由度和高分辨率結構，需要仔細優化各種技術參數。此外，了解氮化硼與其他先進的3D打印材料（主要是聚合物）的協同作用，有助于實現獨特設計的結構。
在納米復合材料的3D打印中引入氮化硼，不僅有助于提升制造過程的控制性能，但其分布、分散以及與其他成分的相互作用仍面臨挑戰，導致實際結果可能與理論預測有所不同。
另外，除了氮化硼在作為打印材料時面臨的可用性和成本限制之外，3D打印技術本身也面臨著幾個重要挑戰，包括對環境的影響、高昂的設備成本以及定制化難度。
未來展望
為了解決這些局限性并擴展氮化硼在3D打印中的應用，人們正在進行重要的研究努力。例如，《Polymers》雜志最近的一項研究探討了將BN作為聚乳酸（PLA）增強材料，以提高它的機械強度和耐磨性能。通過向聚乳酸基體中加入5%和10%重量比的BN，可以制備直徑為1.75毫米的復合絲。
這些長絲制成的3D打印樣品表現出更高的拉伸強度、尺寸精度和低表面粗糙度的磨損特性。因此，通過在聚合物基質中優化氮化硼的添加量，可以顯著提升聚合物復合材料的性能，而這些復合材料正是支撐3D打印技術的關鍵基礎。
另外，美國化學學會《Applied Nano Materials》雜志最近的另一項研究表明，將六方氮化硼（hBN）融入天然聚合物纖維素中，可生產出用于能量收集應用的3D打印納米片。機械剝離的六方氮化硼被用作纖維素基質中的流變修飾劑。3D打印的hBN-纖維素薄膜具有高強度、柔韌性和最大表觀粘度。
研究團隊利用制備的hBN-纖維素薄膜制作了柔性電能收集器，并對應變誘導的電荷產生進行了深入研究。當施加負載電阻和壓力時，裝置能產生電壓和電流。此外，在hBN-纖維素納米片中還觀察到電荷狀態波動和自發極化現象。密度泛函理論計算也支持了這些實驗結果的解釋。
總體而言，3D打印技術正朝著工業化方向迅速發展，而采用類似氮化硼的高功能材料有望進一步推動這一發展。
△氮化硼的掃描電子顯微鏡圖像
氮化硼的特性和優勢
氮化硼是優良的電絕緣體，具有約5.97 eV的寬帶隙，表現出涂層平整和高度穩定的特性。因其獨特的界面特性和與其它納米材料協同效應的低庫侖散射，使它成為納米復合材料中理想的電介質、襯底和填料。氮化硼的六角結構類似于石墨的蜂窩結構，硼和氮之間的共價鍵強度高，而層間的范德華力較弱，使它在聲子主導的熱傳輸應用中成為理想的熱調節材料。
強大的B-N鍵賦予氮化硼優異的機械和化學穩定性，表現出極強的抗磨損和抗氧化能力。此外，該材料還具有良好的生物相容性，擴展了它在醫療領域的應用潛力。
△通過FDM制造的樣品的SEM圖像：（a）PLA；（b）PLA + 5 wt% BN；（c）PLA + 10 wt% BN
3D打印中的應用
硼元素可提高3D打印結構的質量和性能，并被納入各種復合材料，用于專門的3D打印應用。例如，BN-聚合物復合材料可幫助3D打印出機械堅固、可自我維持的結構。這種高含量氮化硼的結構具有很高的物理可塑性和彈性，只需進行最少的后處理。
導熱氮化硼基復合材料在需要控制熱傳導和散熱的微電子器件中至關重要。除了熱管理應用外，這些復合材料還因其細胞相容性而適用于生物3D打印。
摻入BN的聚乙烯醇（PVA）纖維被探索用于個人冷卻應用中的熱控制紡織品。氮化硼確保纖維結構緊湊、分布均勻、取向適當，從而提高抗拉強度、導熱性和熱量分布均勻性。
由BN-PVA復合材料3D打印而成的紡織品的熱傳導性能是PVA紡織品的1.5倍，是棉織物的兩倍。此外，BN-PVA織物的冷卻能力比傳統棉織物高出約55%。
通過將BN與光敏聚合物(PSP)結合使用，還證明了氮化硼可用于3D打印支架。由于BN與PSP樹脂之間有效的界面相互作用，因此生成的支架在微硬度、阻尼和抗壓強度測試中表現良好。氮化硼良好的能量耗散特性和聚合物的粘彈性增強了3D打印支架的阻尼能力。
二維六方氮化硼（hBN）納米顆粒與離子液體相結合，可產生具有優異離子傳導性和機械性能的氣溶膠噴射打印離子凝膠。這些離子凝膠可用于打印薄膜晶體管(TFT)，利用hBN作為電介質，TFT可表現出優異的傳輸和輸出特性以及機械彎曲容差。這種3D打印晶體管是很有前途的電分析傳感平臺。
挑戰與限制
盡管氮化硼具備多種優勢特性，但在3D打印應用中，其實際應用目前主要局限于研究和開發階段。這主要因為3D打印過程中加工氮化硼面臨技術挑戰，特別是它堅固的B-N鍵結構對功能化處理的挑戰性。
例如，雖然在復合材料中添加大量氮化硼可以顯著增強導熱性，但也會降低其延展性，從而對于像醫療設備封裝等需要機械強度的應用而言，影響復合材料的加工性能。
為了打印出具有更大自由度和高分辨率結構，需要仔細優化各種技術參數。此外，了解氮化硼與其他先進的3D打印材料（主要是聚合物）的協同作用，有助于實現獨特設計的結構。
在納米復合材料的3D打印中引入氮化硼，不僅有助于提升制造過程的控制性能，但其分布、分散以及與其他成分的相互作用仍面臨挑戰，導致實際結果可能與理論預測有所不同。
另外，除了氮化硼在作為打印材料時面臨的可用性和成本限制之外，3D打印技術本身也面臨著幾個重要挑戰，包括對環境的影響、高昂的設備成本以及定制化難度。
△有關BN在3D打印材料中的研究，題目為“通過3D打印技術開發的氮化硼增強聚合物復合材料的機械和磨損研究”（傳送門）
未來展望
為了解決這些局限性并擴展氮化硼在3D打印中的應用，人們正在進行重要的研究努力。例如，《Polymers》雜志最近的一項研究探討了將BN作為聚乳酸（PLA）增強材料，以提高它的機械強度和耐磨性能。通過向聚乳酸基體中加入5%和10%重量比的BN，可以制備直徑為1.75毫米的復合絲。
這些長絲制成的3D打印樣品表現出更高的拉伸強度、尺寸精度和低表面粗糙度的磨損特性。因此，通過在聚合物基質中優化氮化硼的添加量，可以顯著提升聚合物復合材料的性能，而這些復合材料正是支撐3D打印技術的關鍵基礎。
△題目為“利用高強度、柔性的3D打印纖維素/六方氮化硼納米片復合材料進行能量收集”相關研究（傳送門）
另外，美國化學學會《Applied Nano Materials》雜志最近的另一項研究表明，將六方氮化硼（hBN）融入天然聚合物纖維素中，可生產出用于能量收集應用的3D打印納米片。機械剝離的六方氮化硼被用作纖維素基質中的流變修飾劑。3D打印的hBN-纖維素薄膜具有高強度、柔韌性和最大表觀粘度。
研究團隊利用制備的hBN-纖維素薄膜制作了柔性電能收集器，并對應變誘導的電荷產生進行了深入研究。當施加負載電阻和壓力時，裝置能產生電壓和電流。此外，在hBN-纖維素納米片中還觀察到電荷狀態波動和自發極化現象。密度泛函理論計算也支持了這些實驗結果的解釋。
總體而言，3D打印技術正朝著工業化方向迅速發展，而采用類似氮化硼的高功能材料有望進一步推動這一發展。
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