香港城市大学の呂建院士とハルビン工業大学の孟松河教授：複雑な構造のセラミックを製造するためのセラミック前駆体の直接書き込み4D印刷

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

最近、香港城市大学の呂建院士とハルビン工業大学の孟松河教授が協力し、4Dプリントセラミック前駆体を直接書き込むことで複雑な構造のセラミックを作製する新しい戦略を革新的に提案しました。関連する結果は、「センシングおよびアクチュエーションアプリケーション向けに再構成およびプログラム可能な 4D プリント形状記憶前駆体から生成された軽量で幾何学的に複雑なセラミック」というタイトルで Chemical Engineering Journal に掲載されました。

オリジナルリンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1385894722061356

研究の背景

セラミックスは長い歴史を持つ素材の一種で、その優れた機械的性質と安定した物理的・化学的性質から、古くから生産や生活の場で使用されてきました。しかし、セラミックス自体の脆さや加工の難しさなどの制約により、精密セラミックスの需要が切実にあるにもかかわらず、その製造には常に困難が伴います。積層造形の登場により、3Dプリントのカスタマイズ可能な型なし製造の利点とセラミック自体の利点が組み合わされ、ますます注目を集めています。セラミック前駆体の熱分解によって形成されるポリマー由来セラミックス（PDC）は、加工が容易、分子レベルでの柔軟な設計、比較的低い焼結温度などの利点があるため、セラミック積層造形用の一般的な材料となっています。しかし、セラミック前駆体とそこから派生したセラミックに関する研究は現時点では不十分であり、その機能は完全に開発されるには程遠く、3Dプリントセラミックの開発と応用には限界があります。

【主な内容】

上記の困難に対処するために、著者らは再構成可能性と形状記憶効果を備えたセラミック前駆体複合材料を合成した。この研究で製造されたセラミック前駆体には、再形成と形状記憶効果という 2 つの大きな特性があります。再形成可能な特性により、複雑な形状のセラミックスを簡単に準備でき、形状記憶効果により、印刷された構造に多様な一時的形状や省スペース（形状回復率約 100%）などの利点がもたらされます。 4D プリンティングで製造された前駆体グリーンボディは、高温で焼結され、軽量で高強度の二相セラミックスが得られます。本稿では、調製されたセラミックスをさらに特性評価およびテストし、その半導体耐熱特性を特性評価し、関連する用途を実証しました。

図 1. 再形成可能でプログラム可能なセラミック前駆体から複雑な構造のセラミックを製造する概略図。前駆体ブレードモデルの一時的な形状から永久的な形状への変形プロセスの有限要素シミュレーション。セラミック前駆体の二次成形は、化学的な二次架橋によって実現されます。単一の成形しか実現できない従来のセラミック前駆体とは異なり、この研究では、「半架橋-完全架橋」という2段階の硬化方法を通じて、セラミック前駆体の2つの別々の成形プロセスを完了しました。 4D プリントと再形成を組み合わせることで、構造と形状のプリントの可能性が広がります。

図2。直接書き込みに適したセラミック前駆体（a）未発生、第1および第2硬化段階の前駆体インク（b）前駆体複合材料のレオロジー特性：実験的粘度とせん断貯蔵および喪失弾性率とせん断測定値（d）初期、再形状、一時的な形状、回復、焼結されたセラミック形状を含む4Dプリント前駆体（a）葉モデル図4 - アライメントと直交アライメント（E）フィラメントの断面画像（F）セラミックCC-60-1300のSEM画像（g）デュアルフェーズ形態のセラミックの画像図5。焼結後の PDC の温度抵抗と感知特性 (a) 異なる焼結温度におけるセラミック部品の抵抗変化と温度の関係 (b) RRC とセラミック試料の温度の関係 (c) 温度感受性セラミックスの感度と温度の関係。 (de) 波形センサーの初期状態と再成形後。 (f) 波形セラミック素子は、温度依存の抵抗特性に基づいて LED ライトを点灯させることにより、高温アプリケーションを警告するインジケータとして使用されます。 (gj) 凹凸のある表面を測定する際のU字型セラミック温度センサーと対照群の比較 (kl) 熱サイクルを受けるU字型と対照群の実際のRRCと導出されたRRCの比較 [要約]
要約すると、著者らは、熱分解中に複雑な空間構造セラミックに自己形成できる、4D 印刷に適した新しいタイプの再構成可能で形状記憶のセラミック前駆体を合成し、センサーやアクチュエーターとしての応用可能性を研究しました。レオロジー特性が調整されたセラミック前駆体は、DIW 印刷に適しています。再構成可能な特性により、ネイティブの印刷構造をより複雑な新しい永続的な形状に再構成できます。段階的硬化プロセスでは、2 段階の架橋プロセスで IPN が構築されました。第二に、形状記憶効果により、前駆体を一時的な形状にプログラムし、熱刺激を受けるとすぐに（10 秒未満）かつ完全に（約 100%）初期状態に回復することができます。セラミック前駆体の再構成可能性と形状記憶の組み合わせにより、複雑な構造を持つセラミックの製造プロセスが簡素化されます。温度に依存する半導体挙動と広い監視範囲（25～750 °C）に基づいて、得られたセラミックのサーミスタおよび温度センサーとしての実現可能性がさらに実証されています。この研究では、再形成特性を活用し、凹凸のある輪郭の表面温度をより高い信頼性で検出できるセンサーを設計します。最後に、航空宇宙分野における前駆体とそこから派生したセラミックスの可能性を示すために、いくつかのアプリケーションを紹介します。この研究は、複雑な構造セラミックスの製造に新たな戦略を提供するだけでなく、4D プリンティング、アクチュエーター、センサー、エンジニアリングアプリケーションのさらなる開発への道を開きます。

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