背景

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制造耐損傷陶瓷復(fù)合材料被認(rèn)為可有效模仿珍珠層的實(shí)體結(jié)構(gòu)。盡管仿珍珠層陶瓷復(fù)合材料具有良好的特性，但仿生復(fù)合材料的不連續(xù)陶瓷相會(huì)導(dǎo)致軟/硬界面處的應(yīng)力集中，從而降低其承載能力。

因此，期待對(duì)雙連續(xù)相陶瓷復(fù)合材料的研究。迄今為止，耐損傷互穿相復(fù)合材料 (IPC) 一直是多項(xiàng)研究的主題。

具有復(fù)雜幾何形狀或獨(dú)特設(shè)計(jì)的耐損傷陶瓷復(fù)合材料在各種應(yīng)用中都有很高的需求。然而，由于模具形狀的限制，冰模板或冷凍鑄造等傳統(tǒng)加工技術(shù)無法為陶瓷復(fù)合材料的制造提供幾何自由度。使用 3D 打印（也稱為增材制造）為創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的陶瓷復(fù)合材料創(chuàng)造了新的可能性。

數(shù)字光處理 (DLP) 正逐漸成為制造高性能、幾何無瑕疵、無缺陷部件的頂級(jí) AM 技術(shù)，其精度和表面質(zhì)量都在可接受的水平。由于其卓越的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，具有高韌性的耐損傷陶瓷對(duì)于廣泛的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。然而，由于模具形狀的限制，當(dāng)前的加工技術(shù)無法生產(chǎn)具有復(fù)雜或定制幾何形狀的零件。

關(guān)于研究

在這項(xiàng)研究中，作者討論了一種很有前景的技術(shù)，該技術(shù)通過使用增材制造 (AM) 和尖端的仿生增韌設(shè)計(jì)來制造具有出色損傷容限的具有幾何挑戰(zhàn)性的陶瓷復(fù)合材料零件。制成的陶瓷復(fù)合材料用于提供非凡的韌性增益，與純陶瓷相似 116 倍，避免了災(zāi)難性故障，并且具有使用標(biāo)準(zhǔn)方法無法生產(chǎn)的獨(dú)特幾何形狀。

該團(tuán)隊(duì)提出了一種可行的策略，利用增材制造來制造具有雙連續(xù)氧化鋯/環(huán)氧樹脂相的陶瓷復(fù)合材料，這些相在幾何上具有挑戰(zhàn)性和耐損傷性。由于其廣為人知的三周期最小表面 (TPMS) 結(jié)構(gòu)和大表面積，其靈感來自 dactyl 俱樂部，因此被特別選為連續(xù)陶瓷支架。

研究人員使用自制的數(shù)字光處理 (DLP) 打印機(jī)制作了所提議的支架，然后用充當(dāng)軟相的環(huán)氧樹脂聚合物浸潤。這種仿生復(fù)合材料在韌性方面表現(xiàn)出出色的抗損傷能力。展示了一種在牙齒修復(fù)中的獨(dú)特應(yīng)用。

觀察

在修復(fù)牙科中，含有 75 vol.% 氧化鋯的 IPC 被構(gòu)建為后橋或前橋橋的牙本質(zhì)。致密的氧化鋯也可以用作堅(jiān)硬的外釉質(zhì)。雖然梯度陶瓷壁厚從 0.3 到 0.7 mm 線性增加，導(dǎo)致上表面周圍具有峰值應(yīng)力集中的梯度應(yīng)力分布，但 34.6 vol% 均勻復(fù)合材料的陶瓷壁厚保持在 0.5 mm。

結(jié)果，壓縮應(yīng)力均勻地分散在陶瓷結(jié)構(gòu)中。結(jié)果，隨著應(yīng)變從0.2增加到0.6，復(fù)合材料的梯度支架沿壓縮方向逐漸斷裂，同時(shí)裂縫向較厚的表面擴(kuò)展。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與燒結(jié)陶瓷相比，均勻和漸變復(fù)合材料的強(qiáng)度分別增加了 84% 和 213%，而楊氏模量僅略有增加。此外，發(fā)現(xiàn)均勻復(fù)合材料和分級(jí)復(fù)合材料的硬度分別顯著提高了 30 倍和 116 倍。

結(jié)論

總之，本研究闡明了一種使用 3D 打印和創(chuàng)新仿生設(shè)計(jì)創(chuàng)建復(fù)雜幾何形狀的耐損傷陶瓷復(fù)合材料的潛在技術(shù)。模仿螳螂蝦的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，為生產(chǎn)的陶瓷復(fù)合材料提供了非凡的韌性和承載能力。

進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究來檢驗(yàn)仿生結(jié)構(gòu)的增韌機(jī)制。作者提到，所制造的復(fù)合材料具有巨大的牙科修復(fù)潛力。更重要的是，他們預(yù)計(jì)擬議的戰(zhàn)略可以擴(kuò)展到制造其他高性能工程材料，為包括組織工程、汽車和航空航天工業(yè)以及能源設(shè)備在內(nèi)的廣泛行業(yè)的新應(yīng)用打開大門。

作者還表示，這些 AM 加工的仿生陶瓷復(fù)合材料為需要個(gè)性化的應(yīng)用開辟了有趣的可能性。

文章來源：賢集網(wǎng)

編輯：小馬