萊斯大學研究人員成功使3D打印陶瓷抗碎性提高4.5倍

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構應用中受到限制。萊斯大學等研究人員提出了一種表面改性方法來構建比傳統的陶瓷產品更耐損壞的組件。

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品。他們使用商業二氧化硅填充的陶瓷預制聚合物制造Schwarzites結構，這是一種3D碳基周期網絡，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構，再涂上一層薄柔性環氧聚合物，*終使得新型陶瓷結構比傳統產品抗碎性提高4.5倍。團隊相信這些結構可以廣泛應用于建筑物、骨骼植入物以及承重假肢等領域。

陶瓷與脆性問題

陶瓷材料具有耐熱性、耐化學性、優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，非常適合生物醫學應用，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構應用中的使用。

通�？梢詫④浻袡C材料注入硬質陶瓷結構中來解決脆性問題。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，形成更耐用的結果。

聚合物涂層陶瓷Schwarzite結構

研究團隊從自然界獲取靈感，在Formlabs SLA系統上3D打印陶瓷Schwarzites結構（使用SolidWorks生成），并在上面涂上一層薄而柔韌的環氧樹脂聚合物，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構，填充了孔隙，提高密度和機械阻力。

在對照組中，未涂層的結構面對沖擊力表現得非常脆弱，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，涂層結構也沒有完全爆炸，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

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