3Dプリントで超強力、耐損傷性セラミックスを製造

寄稿者: Qi Chenyun、Lian Qin 寄稿者: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室出典: 中国機械工学協会付加製造技術 (3D プリント) 支部

セラミックスは、高強度、高剛性、優れた環境安定性を備えており、航空宇宙、電子情報、生物医学工学などの分野で広く使用されています。さらに、優れた熱安定性と化学的安定性により、高温や腐食性環境などの過酷な条件でも使用できます。しかし、セラミックスは亀裂に敏感です。複雑な多孔質セラミックスの小さな欠陥が機械的特性の重大な劣化、突然の破損、壊滅的な故障につながる可能性があり、大きな安全上のリスクをもたらし、信頼性の高い分野への適用を困難にします。

南方科技大学の葛奇氏のチームは、3周期の極小表面構造の理論に基づき、デジタル光処理（DLP）3Dプリントを使用して、超強力で損傷に強いセラミックを作成しました。本研究では、固形分含有量40vol%の感光性ZrO2スラリーを調製し、印刷層の厚さ100μm、露光エネルギー36mJ/cm2で10mm×10mm×10mmのZrO2ブランクを印刷した。印刷後、グリーンブランクをAr2中で0.25℃/分の加熱速度で550℃で4時間加熱して熱分解し、その後、空気中で1℃/分の加熱速度で1450℃で2時間焼結してセラミック部品を得た。焼結セラミック部品のサイズは7.25mm×7.25mm×7.25mm、線収縮率は27.5%です。

この研究の設計戦略を図1(a)に示す。有限要素解析（FEA）によって、Schwarz P、Gyroid、I-WPの3つのユニットセルと、相対密度の異なる八角形トラスユニットセルの機械的特性を計算しました（図1（b））。シュワルツ P 単位セルの圧縮強度と破壊ひずみは、相対密度とともに直線的に増加します。相対密度が 50% の場合、Schwarz P ユニットセルの圧縮強度は、Gyroid および I-WP ユニットセルの 3 ～ 4 倍になります。図1(c)は、初期損傷および破損損傷を受けた3つのTPMSセルのひずみ分布を示しています。 Schwarz P ユニットセルは、より均一なひずみ分布を備えているため、より大きな負荷に耐えることができ、故障する可能性が低くなります。他の 2 つの構造物は、局所的に歪みが集中しており、その結果、耐荷重能力が比較的低くなっています。したがって、4 種類の構造の中で、シュワルツ P 構造が最も優れた機械的特性を示します。シュワルツP面の近似方程式はcos⁡(X)+cos⁡(Y)〖+cos〗⁡〖(Z)+c=0〗と表すことができます。ここで、X=2πx/a、Y=2πy/a、Z=2πz/a、aは単位格子パラメータ、cは定数です。

図1 TPMSセラミックスの設計、作製および微細構造。 (a) シュワルツPユニットセルの幾何学的設計戦略の概略図。 (b) 3つの異なるTPMSユニットセル（Schwarz P、Gyroid、I-WP）と相対密度の異なる八角形トラスユニットセルの圧縮強度と破壊ひずみの有限要素解析。 (c) 初期損傷および破壊損傷時の 3 つの TPMS ユニットセル (相対密度 50%) の主ひずみ等高線の有限要素解析結果。図 2 亀裂の発生と伝播の特性とメカニズム解析。 (ad) 28 kN の横方向荷重によって圧縮された後の Schwarz P 構造のマイクロ CT 3D 再構成画像。 (eh) 18.5 kNの荷重で縦方向に圧縮した後のシュワルツP構造のマイクロCT 3D再構成画像。 (in) 横方向荷重 (ik) と縦方向荷重 (ln) の下での原位置圧縮試験。ZrO2 Schwarz P 構造の一軸圧縮試験では、縦方向に荷重が加えられた場合、相対密度 57.58% の構造の圧縮強度が 418 MPa に達することが示されました。横方向に荷重が加わった場合、構造体は超高力学特性を示し（図2（c））、相対密度57.58％の構造体の圧縮強度は710MPaにも達します。マイクロCTイメージングと現場圧縮テストを使用することで、Schwarz P構造の超高強度性能は、3Dプリントの層ごとの積み重ねのステップ効果から生まれることが明らかになりました。これらのステップにより、亀裂が発生し、印刷された層に沿って伝播します (図 2)。横方向の圧縮では、荷重方向は印刷層の方向と平行であり、段差による亀裂は荷重方向と平行で、垂直エッジユニットに位置します。エッジが損傷した場合でも、突然破損するのではなく、構造はより大きな荷重に耐えることができます。そのため、構造は横方向に超高圧縮強度を示します。縦方向の圧縮の場合、荷重方向は印刷層の方向に対して垂直であり、段差により亀裂は荷重方向に対して垂直に伸びます。同時に、加えられた荷重によって荷重方向と平行な亀裂が生じ、その結果、構造全体に亀裂が分散して急速に破壊されるため、縦方向の圧縮強度が横方向の圧縮強度よりも悪くなります。

この研究では、セラミック構造物の横方向の繰り返し一軸圧縮試験により、これらの構造物は損傷耐性が優れていることが示されました。構造物の28%が損傷した状態で20回の繰り返し荷重に耐えることができ、損傷が44%まで高くなっても破損することなく荷重に耐えることができます。超強力で損傷に強いセラミック構造は、壊滅的な破損のリスクを軽減し、エンジニアリング用途に大きな可能性を秘めています。

参考文献:
Rong Wang、Haitao Ye、Jianxiang Cheng、Honggeng Li、Pengfei Zhu、Bo Li、Rong Fan、Juzheng Chen、Yang Lu、Qi Ge、「3Dプリントによる超強力で損傷に強いセラミック構造」、Additive Manufacturing、第61巻、2023年、103361、https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103361。

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