3Dプリンティングにおける窒化ホウ素（BN）の潜在的応用と関連研究

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-7-22 17:04 に最後に編集されました

南極クマの紹介:ナノテクノロジーと 3D プリント技術を組み合わせることで、インテリジェント設計やインテリジェント構造の分野への応用の可能性が広がります。窒化ホウ素 (BN) などのナノ材料は、優れた機械的、電気的、熱的特性を備えています。窒化ホウ素は、3D 印刷技術による柔軟な製品設計と製造により、特にエネルギー貯蔵、医療機器、フレキシブル電子機器などの分野での潜在的な応用展望を示しています。

△窒化ホウ素の走査型電子顕微鏡像
窒化ホウ素の特徴と利点

窒化ホウ素は、約 5.97 eV の広いバンドギャップを持つ優れた電気絶縁体であり、滑らかなコーティングと高い安定性の特性を示します。独自の界面特性と他のナノ材料との相乗効果によるクーロン散乱が低いため、ナノ複合材料の理想的な誘電体、基板、充填材になります。

窒化ホウ素の六方構造はグラファイトのハニカム構造に似ており、ホウ素と窒素の間には強い共有結合があり、層間には弱いファンデルワールス力があるため、フォノンが支配的な熱輸送用途に最適な熱調節材料となっています。

強力な BN 結合により、窒化ホウ素は優れた機械的および化学的安定性を備え、摩耗や酸化に対して極めて強い耐性を示します。さらに、この材料は生体適合性に優れているため、医療分野での応用の可能性が広がります。

△ FDMで製造したサンプルのSEM画像: (a) PLA、(b) PLA + 5 wt% BN、(c) PLA + 10 wt% BN
3Dプリントのアプリケーション

ホウ素は 3D プリント構造の品質と性能を向上させ、特殊な 3D プリント用途向けのさまざまな複合材料に組み込まれます。たとえば、BN ポリマー複合材料は、機械的に強度のある自立構造を 3D プリントするのに役立ちます。この高窒化ホウ素含有量構造は、高度な物理的可塑性と弾性を備えており、最小限の後処理のみを必要とします。

熱伝導性窒化ホウ素ベースの複合材料は、制御された熱伝導と熱放散が必要なマイクロエレクトロニクスデバイスにとって非常に重要です。これらの複合材料は、熱管理用途に加えて、細胞適合性があるためバイオ 3D 印刷にも適しています。

BN を組み込んだポリビニルアルコール (PVA) 繊維は、個人用冷却用途の熱制御繊維としての使用が検討されています。窒化ホウ素は、コンパクトで均一に分散され、適切に配向された繊維構造を保証し、それによって引張強度、熱伝導性、均一な熱分布を向上させます。

BN-PVA 複合材料から 3D プリントされた繊維の熱伝導率は、PVA 繊維の 1.5 倍、綿織物の 2 倍です。さらに、BN-PVA生地の冷却能力は、従来の綿生地よりも約55％高くなります。

窒化ホウ素は、BN と感光性ポリマー (PSP) を組み合わせることで、3D プリントの足場としても有用であることが実証されています。 BN と PSP 樹脂間の効果的な界面相互作用により、生成されたスキャフォールドは、微小硬度、減衰、および圧縮強度のテストで優れた性能を発揮しました。窒化ホウ素の優れたエネルギー消散特性とポリマーの粘弾性により、3D プリントブラケットの減衰能力が向上します。

2 次元六方晶窒化ホウ素 (hBN) ナノ粒子をイオン液体と組み合わせると、優れたイオン伝導性と機械的特性を持つエアロゾルジェット印刷イオンゲルが生成されます。これらのイオンゲルは、hBN を誘電体として使用して、優れた伝送特性と出力特性、および機械的曲げ耐性を示す薄膜トランジスタ (TFT) を印刷するために使用できます。この 3D プリントトランジスタは、有望な電気分析センシングプラットフォームです。

課題と限界

窒化ホウ素には多くの利点があるにもかかわらず、3D プリンティングアプリケーションにおけるその実用化は、現在主に研究開発段階に限られています。これは主に、3D プリント中に窒化ホウ素を処理する際の技術的な課題、特にその強力な BN 結合構造による機能化の課題によるものです。

たとえば、複合材料に大量の窒化ホウ素を添加すると熱伝導性が大幅に向上しますが、延性も低下するため、医療機器のパッケージングなど、機械的強度が求められる用途における複合材料の加工性能に影響を及ぼします。

より自由度が高く高解像度の構造を印刷するには、さまざまな技術的パラメータを慎重に最適化する必要があります。さらに、窒化ホウ素と他の高度な 3D 印刷材料、主にポリマーとの相乗効果を理解することで、独自に設計された構造を実現できます。

ナノ複合材料の 3D プリントに窒化ホウ素を導入すると、製造プロセスの制御性能が向上するだけでなく、その分布、分散、および他のコンポーネントとの相互作用に依然として課題があり、実際の結果が理論予測と異なる可能性があります。

さらに、印刷材料としての窒化ホウ素の入手可能性とコストの制限に加えて、3D 印刷技術自体も、環境への影響、設備コストの高さ、カスタマイズの難しさなど、いくつかの重要な課題に直面しています。

△3Dプリント材料におけるBNに関する研究「3Dプリント技術で開発された窒化ホウ素強化ポリマー複合材料の機械的性質と摩耗特性に関する研究」（ポータル）
今後の展望

これらの制限に対処し、3D プリンティングにおける窒化ホウ素の用途を拡大するための重要な研究努力が進行中です。たとえば、Polymers 誌の最近の研究では、ポリ乳酸 (PLA) の機械的強度と耐摩耗性を向上させるために、BN を PLA の強化材料として使用することが検討されました。 PLA マトリックスに BN を重量比で 5% および 10% 添加することで、直径 1.75 mm の複合フィラメントを製造できます。

これらのフィラメントから作られた 3D プリントサンプルは、引張強度、寸法精度、摩耗特性が向上し、表面粗さが低くなりました。したがって、ポリマーマトリックス中の窒化ホウ素の添加量を最適化することで、ポリマー複合材料の性能を大幅に向上させることができ、これらの複合材料は 3D プリント技術を支える重要な基盤となります。

△関連研究「高強度かつ柔軟な3Dプリントセルロース/六方晶窒化ホウ素ナノシート複合材料を用いたエネルギーハーベスティング」（ポータル）
一方、アメリカ化学会誌「Applied Nano Materials」に掲載された最近の別の研究では、六方晶窒化ホウ素（hBN）を天然ポリマーセルロースに組み込むことで、エネルギー収集用途の3Dプリントナノシートを製造できることが示された。機械的に剥離された六方晶窒化ホウ素は、セルロースマトリックスのレオロジー改質剤として使用されました。 3D プリントされた hBN セルロースフィルムは、高い強度、柔軟性、最大の見かけ粘度を示します。

研究チームは、作製したhBNセルロースフィルムを使用して柔軟なエネルギーハーベスターを作成し、歪み誘起電荷生成に関する詳細な研究を実施しました。負荷抵抗と圧力が加えられると、デバイスは電圧と電流を生成できます。さらに、hBNセルロースナノシートでは電荷状態の変動と自発分極現象が観察されました。密度汎関数理論の計算もこれらの実験結果の解釈を裏付けています。

全体として、3Dプリンティング技術は産業化に向けて急速に発展しており、窒化ホウ素などの高機能材料の使用により、この発展がさらに促進されると期待されています。

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