莱斯大学研究人员成功使3D打印陶瓷抗碎性提高4.5倍

2021 年 07 月 29 日

陶瓷材料具有高强度和模量,但由于固有的脆性和低韧性而在许多结构应用中受到限制。莱斯大学等研究人员提出了一种表面改性方法来构建比传统的陶瓷产品更耐损坏的组件。

 

 

压力测试

 

     研究人员通过立体光刻 (SLA) 3D打印和保形聚合物微涂层,制造更加防碎的陶瓷产品。他们使用商业二氧化硅填充的陶瓷预制聚合物制造Schwarzites结构,这是一种3D碳基周期网络,具有零平均曲率和负高斯曲率。然后完全热解形成完全陶瓷结构,再涂上一层薄柔性环氧聚合物,最终使得新型陶瓷结构比传统产品抗碎性提高4.5倍。团队相信这些结构可以广泛应用于建筑物、骨骼植入物以及承重假肢等领域。

 

陶瓷与脆性问题

 

陶瓷材料具有耐热性、耐化学性、优异的强度和硬度以及低导电性。它们还具有出色的生物相容性,非常适合生物医学应用,例如骨替代品、牙科部件,甚至组织工程支架。然而,陶瓷材料具有脆性,在高压载荷下容易破裂,这限制了它们在重型结构应用中的使用。

 

 

聚合物涂层陶瓷的制备和形态。( A ) 用 SLA 3D打印机打印陶瓷schwarzite样品。( B ) 样品 I (未涂层陶瓷),样品 II(涂层陶瓷)。(C)两个样品的准静态压缩研究示意图。(D ) 未涂层陶瓷表面形貌的SEM图像。( E ) 涂层陶瓷表面形貌的SEM图像。( F和G)横截面的SEM图像。

 

通常可以将软有机材料注入硬质陶瓷结构中来解决脆性问题。仿生案例例如软体动物壳,它由细层砖状文石片晶(95%) 和软生物聚合物 (5%) 结合而成。许多动物骨骼也如此,坚硬的矿物纳米晶体与胶原纤维排列在一起,形成更耐用的结果。

 

聚合物涂层陶瓷Schwarzite结构

 

研究团队从自然界获取灵感,在Formlabs SLA系统上3D打印陶瓷Schwarzites结构(使用SolidWorks生成),并在上面涂上一层薄而柔韧的环氧树脂聚合物,随后在紫外线下进一步固化部件。因此,聚合物涂层进入多孔结构,填充了孔隙,提高密度和机械阻力。

 

 

聚合物涂层对陶瓷抗压强度和形变作用。(A和B ) 未涂层和涂层陶瓷schwarzites的压缩应力应变行为。( C ) 压缩测试。比例尺1厘米。( D ) 涂层陶瓷逐层变形。比例尺1厘米。( E ) 压缩测试后涂层陶瓷中的裂纹。比例尺500微米。( F和G ) 陶瓷-聚合物界面裂纹。比例尺200微米。

 

     在对照组中,未涂层的结构面对冲击力表现得非常脆弱,在跌落测试和液压机测试中破碎,而涂层样品只需要一层100微米厚的聚合物涂层即可为部件提供高达4.5倍的抗断裂能力。即使临界破损点,涂层结构也没有完全爆炸,而是破碎和变平。

 

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