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新的陶瓷复合材料,具有出色的抗损伤能力及多变性
在最近发表在杂志上的一篇文章中,研究人员讨论了采用仿生增韧设计在三个维度上打印陶瓷复合材料。


背景


制造耐损伤陶瓷复合材料被认为可有效模仿珍珠层的实体结构。尽管仿珍珠层陶瓷复合材料具有良好的特性,但仿生复合材料的不连续陶瓷相会导致软/硬界面处的应力集中,从而降低其承载能力。


因此,期待对双连续相陶瓷复合材料的研究。迄今为止,耐损伤互穿相复合材料 (IPC) 一直是多项研究的主题。


具有复杂几何形状或独特设计的耐损伤陶瓷复合材料在各种应用中都有很高的需求。然而,由于模具形状的限制,冰模板或冷冻铸造等传统加工技术无法为陶瓷复合材料的制造提供几何自由度。使用 3D 打印(也称为增材制造)为创建具有复杂几何结构的陶瓷复合材料创造了新的可能性。


数字光处理 (DLP) 正逐渐成为制造高性能、几何无瑕疵、无缺陷部件的顶级 AM 技术,其精度和表面质量都在可接受的水平。由于其卓越的化学和机械稳定性,具有高韧性的耐损伤陶瓷对于广泛的实际应用至关重要。然而,由于模具形状的限制,当前的加工技术无法生产具有复杂或定制几何形状的零件。


关于研究


在这项研究中,作者讨论了一种很有前景的技术,该技术通过使用增材制造 (AM) 和尖端的仿生增韧设计来制造具有出色损伤容限的具有几何挑战性的陶瓷复合材料零件。制成的陶瓷复合材料用于提供非凡的韧性增益,与纯陶瓷相似 116 倍,避免了灾难性故障,并且具有使用标准方法无法生产的独特几何形状。


该团队提出了一种可行的策略,利用增材制造来制造具有双连续氧化锆/环氧树脂相的陶瓷复合材料,这些相在几何上具有挑战性和耐损伤性。由于其广为人知的三周期最小表面 (TPMS) 结构和大表面积,其灵感来自 dactyl 俱乐部,因此被特别选为连续陶瓷支架。


研究人员使用自制的数字光处理 (DLP) 打印机制作了所提议的支架,然后用充当软相的环氧树脂聚合物浸润。这种仿生复合材料在韧性方面表现出出色的抗损伤能力。展示了一种在牙齿修复中的独特应用。


图片


观察


在修复牙科中,含有 75 vol.% 氧化锆的 IPC 被构建为后桥或前桥桥的牙本质。致密的氧化锆也可以用作坚硬的外釉质。虽然梯度陶瓷壁厚从 0.3 到 0.7 mm 线性增加,导致上表面周围具有峰值应力集中的梯度应力分布,但 34.6 vol% 均匀复合材料的陶瓷壁厚保持在 0.5 mm。


结果,压缩应力均匀地分散在陶瓷结构中。结果,随着应变从0.2增加到0.6,复合材料的梯度支架沿压缩方向逐渐断裂,同时裂缝向较厚的表面扩展。


实验结果表明,与烧结陶瓷相比,均匀和渐变复合材料的强度分别增加了 84% 和 213%,而杨氏模量仅略有增加。此外,发现均匀复合材料和分级复合材料的硬度分别显着提高了 30 倍和 116 倍。


结论


总之,本研究阐明了一种使用 3D 打印和创新仿生设计创建复杂几何形状的耐损伤陶瓷复合材料的潜在技术。模仿螳螂虾的双连续结构,为生产的陶瓷复合材料提供了非凡的韧性和承载能力。


进行了实验和理论研究来检验仿生结构的增韧机制。作者提到,所制造的复合材料具有巨大的牙科修复潜力。更重要的是,他们预计拟议的战略可以扩展到制造其他高性能工程材料,为包括组织工程、汽车和航空航天工业以及能源设备在内的广泛行业的新应用打开大门。


作者还表示,这些 AM 加工的仿生陶瓷复合材料为需要个性化的应用开辟了有趣的可能性。


文章来源:贤集网


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