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

導讀：陶瓷材料具有高強度和模量，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、耐化學性、優(yōu)異的強度和硬度以及低導電性。它們還具有出色的生物相容性，非常適合生物醫(yī)學應(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。

通常可以將軟有機材料注入硬質(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，隨后在紫外線下進一步固化部件。因此，聚合物涂層進入多孔結(jié)構(gòu)，填充了孔隙，提高密度和機械阻力。

△聚合物涂層對陶瓷抗壓強度和形變作用。(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：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.

文獻地址：https://advances.sciencemag.org/content/7/28/eabc5028