【中國智能制造網(wǎng) 新品速遞】高溫加熱器，比如窯爐，被廣泛用于化學反應、材料合成和設(shè)備加工等領(lǐng)域。但是這些加熱設(shè)備的局限在于它們往往相當拙大笨重，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(huán)境中維持目標對象高溫狀態(tài)的加熱元件，研究人員們已經(jīng)開發(fā)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YonggangYao稱，他是該校LiangbingHu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(yōu)越的穩(wěn)定性（>2,000周期，持續(xù)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(jié)果發(fā)表在了2016年5月6日的網(wǎng)絡(luò)版的《ACSNano》雜志上，文章的標題為《可3D打印的高溫、高速加熱器（Three-DimensionalPrintableHigh-TemperatureandHigh-RateHeaters）》。
　　
　　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(chǎn)生高溫。由于兩個RGO片間的接觸區(qū)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(tài)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(shè)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(shè)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(jīng)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(wěn)定的材料，可以用作高性能加熱器。
　　
　　相比之下，常規(guī)的熔爐或加熱器是不可3D打印的，這是因為在大多數(shù)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、和可精細控制的方法可以在導電材料中產(chǎn)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(jù)悉，加熱器的高穩(wěn)定性主要來自于RGO高度穩(wěn)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(wěn)定。
　　
　　得益于3D打印技術(shù)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(shè)計和開發(fā)出任意結(jié)構(gòu)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(xiàn)也很出色，因此它也可以安裝在電子顯微鏡內(nèi)作為加熱元，以用于原位觀測材料中與溫度相關(guān)的形貌和結(jié)構(gòu)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(shè)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(xiàn)3D納米打印。”Hu總結(jié)道。“到目前為止，這就是我們所面臨的挑戰(zhàn)，該條戰(zhàn)要求我們進一步了解石墨烯氧化物墨水，并設(shè)計出新的3D打印機。此外，我們還期望將其高耐熱溫度從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(huán)境中探索材料的未知屬性。