馬里蘭大學科學家開發出迷你高性能3D打印加熱器
高溫加熱器，比如窯爐，被廣泛用于化學反應、材料合成和設備加工等領域。但是這些加熱設備的局限在于它們往往相當拙大笨重，最高加熱溫度低和溫度上升慢等。而如果采用比較先進的激光加熱的話，一方面比較昂貴，另一方面整個樣品中的溫度也不均勻，同時也高度依賴于目標材料的吸收能力。
為了克服這些限制，提供一個能夠在微觀或者納米尺度環境中維持目標對象高溫狀態的加熱元件，研究人員們已經開發出一種可3D打印的高溫、高速加熱器，該加熱器可用于一系列的納米制造，在這個時候精確準時的溫度控制、位置和升溫速率就變得非常重要。
“我們的3D打印加熱器使用了石墨烯氧化物。”馬里蘭大學的研究生Yonggang Yao稱，他是該校Liangbing Hu教授研究團隊的成員之一。“當電流施加到這種加熱器上時，它能夠以超快的速度（不到100毫秒）達到非常高的溫度（大約3000華氏度），而且具有優越的穩定性（>2,000周期，持續保持高溫超過一天沒有明顯衰減）。
該研究團隊將他們的研究結果發表在了2016年5月6日的網絡版的《ACS Nano》雜志上，文章的標題為《可3D打印的高溫、高速加熱器（Three-Dimensional Printable High-Temperature and High-Rate Heaters）》。
圖 1。3D 打印加熱器原理演示。（a）用于3D打印RGO加熱器的高濃縮石墨烯氧化物；插圖還顯示了帶1.5毫米腔室的3D打印3D打印加熱器陣列。（b）打印出來的馬蹄狀3D加熱器。（c）通過施加電流使RGO加熱器產生高溫。由于兩個RGO片間的接觸區域具有加大的接觸電阻，因此這一塊的溫度也較高溫度。（d）在高溫狀態下的3D打印RGO加熱器
該加熱器可以使用高度濃縮的水基石墨烯氧化物油墨3D打印成各種形狀，可以用于快速、低成本的原型設計以用于定制化加熱器和尺寸小至微米級的微型加熱器。使用他們當前的3D打印機設置，研究人員打印出了特征尺寸小至200微米的馬蹄形加熱器。
經過炭化之后，石墨烯氧化物變成了還原氧化石墨烯（RGO），這是一種在高溫、高真空條件下相當穩定的材料，可以用作高性能加熱器。
相比之下，常規的熔爐或加熱器是不可3D打印的，這是因為在大多數材料中，可3D打印性和耐高溫性這兩種屬性是互相排斥的。“這種高溫是用焦耳加熱法生成的，這是一種簡單、高效和可精細控制的方法可以在導電材料中產生高溫。”Yao稱：“沒有一種基于金屬或者陶瓷的熔爐/加熱器可以達到這樣高的溫度，因為在這樣高的溫度下，大部分的金屬都會溶解，陶瓷也會分解。"
輸入功率不斷增加的加熱過程
在被施加電流時，石墨烯氧化物片間的接觸電阻會立即生成大量的熱。焦耳加熱會首先應用于還原石墨烯（RGO），這是一種簡單而且可控的高溫加熱源。據悉，加熱器的高穩定性主要來自于RGO高度穩定的共價碳-碳鍵合，這使得即使在高溫條件下，該加熱器的性能依舊穩定。
得益于3D打印技術和其石墨烯氧化物墨水的粘彈性，科學家們的這項研究提供了一種簡便、快速的方法可以設計和開發出任意結構和可變尺寸的熱力學部件。由于這種加熱器在高真空條件下的表現也很出色，因此它也可以安裝在電子顯微鏡內作為加熱元，以用于原位觀測材料中與溫度相關的形貌和結構變化。
而且，研究人員還注意到，由于焦耳加熱方法比較簡單，因此其裝置可以設計得很小，可以在太空用于高溫焊接或者航天器或者太空站的維修件等。
“在目前階段，我們的加熱元件的尺寸大小可以做到微米級，但是我們的目標是實現3D納米打印。”Hu總結道。“到目前為止，這就是我們所面臨的挑戰，該條戰要求我們進一步了解石墨烯氧化物墨水，并設計出新的3D打印機。此外，我們還期望將其最高耐熱溫度從3,000華氏度提升至更高，這樣我們就能在這種階段的高溫環境中探索材料的未知屬性。
（編譯自nanowerk）
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