马里兰大学科学家开发出迷你高性能3D打印加热器
高温加热器，比如窑炉，被广泛用于化学反应、材料合成和设备加工等领域。但是这些加热设备的局限在于它们往往相当拙大笨重，最高加热温度低和温度上升慢等。而如果采用比较先进的激光加热的话，一方面比较昂贵，另一方面整个样品中的温度也不均匀，同时也高度依赖于目标材料的吸收能力。
为了克服这些限制，提供一个能够在微观或者纳米尺度环境中维持目标对象高温状态的加热元件，研究人员们已经开发出一种可3D打印的高温、高速加热器，该加热器可用于一系列的纳米制造，在这个时候精确准时的温度控制、位置和升温速率就变得非常重要。
“我们的3D打印加热器使用了石墨烯氧化物。”马里兰大学的研究生Yonggang Yao称，他是该校Liangbing Hu教授研究团队的成员之一。“当电流施加到这种加热器上时，它能够以超快的速度（不到100毫秒）达到非常高的温度（大约3000华氏度），而且具有优越的稳定性（>2,000周期，持续保持高温超过一天没有明显衰减）。
该研究团队将他们的研究结果发表在了2016年5月6日的网络版的《ACS Nano》杂志上，文章的标题为《可3D打印的高温、高速加热器（Three-Dimensional Printable High-Temperature and High-Rate Heaters）》。
图 1。3D 打印加热器原理演示。（a）用于3D打印RGO加热器的高浓缩石墨烯氧化物；插图还显示了带1.5毫米腔室的3D打印3D打印加热器阵列。（b）打印出来的马蹄状3D加热器。（c）通过施加电流使RGO加热器产生高温。由于两个RGO片间的接触区域具有加大的接触电阻，因此这一块的温度也较高温度。（d）在高温状态下的3D打印RGO加热器
该加热器可以使用高度浓缩的水基石墨烯氧化物油墨3D打印成各种形状，可以用于快速、低成本的原型设计以用于定制化加热器和尺寸小至微米级的微型加热器。使用他们当前的3D打印机设置，研究人员打印出了特征尺寸小至200微米的马蹄形加热器。
经过炭化之后，石墨烯氧化物变成了还原氧化石墨烯（RGO），这是一种在高温、高真空条件下相当稳定的材料，可以用作高性能加热器。
相比之下，常规的熔炉或加热器是不可3D打印的，这是因为在大多数材料中，可3D打印性和耐高温性这两种属性是互相排斥的。“这种高温是用焦耳加热法生成的，这是一种简单、高效和可精细控制的方法可以在导电材料中产生高温。”Yao称：“没有一种基于金属或者陶瓷的熔炉/加热器可以达到这样高的温度，因为在这样高的温度下，大部分的金属都会溶解，陶瓷也会分解。"
输入功率不断增加的加热过程
在被施加电流时，石墨烯氧化物片间的接触电阻会立即生成大量的热。焦耳加热会首先应用于还原石墨烯（RGO），这是一种简单而且可控的高温加热源。据悉，加热器的高稳定性主要来自于RGO高度稳定的共价碳-碳键合，这使得即使在高温条件下，该加热器的性能依旧稳定。
得益于3D打印技术和其石墨烯氧化物墨水的粘弹性，科学家们的这项研究提供了一种简便、快速的方法可以设计和开发出任意结构和可变尺寸的热力学部件。由于这种加热器在高真空条件下的表现也很出色，因此它也可以安装在电子显微镜内作为加热元，以用于原位观测材料中与温度相关的形貌和结构变化。
而且，研究人员还注意到，由于焦耳加热方法比较简单，因此其装置可以设计得很小，可以在太空用于高温焊接或者航天器或者太空站的维修件等。
“在目前阶段，我们的加热元件的尺寸大小可以做到微米级，但是我们的目标是实现3D纳米打印。”Hu总结道。“到目前为止，这就是我们所面临的挑战，该条战要求我们进一步了解石墨烯氧化物墨水，并设计出新的3D打印机。此外，我们还期望将其最高耐热温度从3,000华氏度提升至更高，这样我们就能在这种阶段的高温环境中探索材料的未知属性。
（编译自nanowerk）
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