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              萊斯大學(xué)研究人員成功使3D打印陶瓷抗碎性提高4.5倍,登上《Science Advances》

              陶瓷
              2021
              07/28
              07:33
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              導(dǎo)讀:陶瓷材料具有高強(qiáng)度和模量,但由于固有的脆性和低韌性而在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中受到限制。萊斯大學(xué)等研究人員提出了一種表面改性方法來構(gòu)建比傳統(tǒng)的陶瓷產(chǎn)品更耐損壞的組件。

              △壓力測試

              研究人員通過立體光刻 (SLA) 3D打印和保形聚合物微涂層,制造更加防碎的陶瓷產(chǎn)品。他們使用商業(yè)二氧化硅填充的陶瓷預(yù)制聚合物制造Schwarzites結(jié)構(gòu),這是一種3D碳基周期網(wǎng)絡(luò),具有零平均曲率和負(fù)高斯曲率。然后完全熱解形成完全陶瓷結(jié)構(gòu),再涂上一層薄柔性環(huán)氧聚合物,最終使得新型陶瓷結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)產(chǎn)品抗碎性提高4.5倍。團(tuán)隊相信這些結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于建筑物、骨骼植入物以及承重假肢等領(lǐng)域。


              陶瓷與脆性問題

              陶瓷材料具有耐熱性、耐化學(xué)性、優(yōu)異的強(qiáng)度和硬度以及低導(dǎo)電性。它們還具有出色的生物相容性,非常適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,例如骨替代品、牙科部件,甚至組織工程支架。然而,陶瓷材料具有脆性,在高壓載荷下容易破裂,這限制了它們在重型結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的使用。

              △聚合物涂層陶瓷的制備和形態(tài)。( A ) 用 SLA 3D打印機(jī)打印陶瓷schwarzite樣品。( B ) 樣品 I (未涂層陶瓷),樣品 II(涂層陶瓷)。(C)兩個樣品的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮研究示意圖。(D ) 未涂層陶瓷表面形貌的SEM圖像。( E ) 涂層陶瓷表面形貌的SEM圖像。( F和G)橫截面的SEM圖像。

              通??梢詫④浻袡C(jī)材料注入硬質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)中來解決脆性問題。仿生案例例如軟體動物殼,它由細(xì)層磚狀文石片晶(95%) 和軟生物聚合物 (5%) 結(jié)合而成。許多動物骨骼也如此,堅硬的礦物納米晶體與膠原纖維排列在一起,形成更耐用的結(jié)果。

              聚合物涂層陶瓷Schwarzite結(jié)構(gòu)

              研究團(tuán)隊從自然界獲取靈感,在Formlabs SLA系統(tǒng)上3D打印陶瓷Schwarzites結(jié)構(gòu)(使用SolidWorks生成),并在上面涂上一層薄而柔韌的環(huán)氧樹脂聚合物,隨后在紫外線下進(jìn)一步固化部件。因此,聚合物涂層進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu),填充了孔隙,提高密度和機(jī)械阻力。

              △聚合物涂層對陶瓷抗壓強(qiáng)度和形變作用。(A和B ) 未涂層和涂層陶瓷schwarzites的壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為。( C ) 壓縮測試。比例尺1厘米。( D ) 涂層陶瓷逐層變形。比例尺1厘米。( E ) 壓縮測試后涂層陶瓷中的裂紋。比例尺500微米。( F和G ) 陶瓷-聚合物界面裂紋。比例尺200微米。

              在對照組中,未涂層的結(jié)構(gòu)面對沖擊力表現(xiàn)得非常脆弱,在跌落測試和液壓機(jī)測試中破碎,而涂層樣品只需要一層100微米厚的聚合物涂層即可為部件提供高達(dá)4.5倍的抗斷裂能力。即使臨界破損點,涂層結(jié)構(gòu)也沒有完全爆炸,而是破碎和變平。


              參考文獻(xiàn):Sajadi, S., Vásárhelyi, L.,Mousavi, R., Rahmati, A., Kónya, Z., Kukovecz, á., Arif, T., Filleter, T.,Vajtai, R., Boul, P., Pang, Z., Li, T., Tiwary, C., Rahman, M. and Ajayan, P.,2021. Damage-tolerant 3D-printed ceramics via conformal coating. ScienceAdvances, 7(28), p.eabc5028.


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