ネイチャー誌の注目のサブジャーナル：高強度、高靭性の生体模倣構造を持つマグネシウム-チタン相互浸透複合材料の3Dプリント

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: バイオニック構造は材料の機械的特性を効果的に改善できますが、金属システムでは構築が困難です。生体模倣金属複合材料の構造と特性の関係もまだ不明です。本論文では、純粋な Mg 溶融物を 3D プリントされた Ti-6Al-4V スキャフォールドに無加圧浸透させることによって、Mg-Ti 複合材料を製造しました。複合材の構成要素は連続しており、3D 空間で相互浸透し、レンガとモルタル、ブリガン、交差積層構造を模倣した特定の空間配置を示します。これらの構造により、効率的な応力伝達、損傷の非局在化、および亀裂の阻止が促進され、個別の強化材を使用した複合材料よりも高い強度と延性が得られます。さらに、それらは、亀裂の偏向/歪みや未開口靭帯の架橋など、一連の外的強化メカニズムを活性化し、亀裂の先端が加えられた応力を遮蔽し、「Γ」字型の上昇する破壊抵抗 R 曲線につながることを可能にします。

強度と破壊靭性は構造材料の 2 つの重要な機械的特性ですが、相互に排他的な関係を示すことがよくあります。生物にヒントを得た構造設計は、天然の生体材料から学ぶことで人工材料の性能を向上させる効果的なアプローチとして登場しました。特に、強度と破壊靭性の相乗的な向上を実現する新たな機会を提供します。特に、ポリマーは積層造形が容易なため、生物材料や生体模倣材料の構造と特性の関係を研究するための理想的なプロトタイプとなります。しかし、これらの材料の構造用途は、強度が低く耐熱性が低いために制限されることがよくあります。高分子材料から得られる構造と特性の関係を、金属や合金などの他の材料システムに適用できるかどうかも、それらの変形メカニズムが大きく異なることを考えると疑問です。ポリマーと比較すると、金属材料で生体模倣構造を構築することはより困難です。これは主に、通常は高温と高圧を伴う従来の製造プロセス中に金属材料の微細構造を制御することが困難であることに起因します。現在までに、生体模倣金属材料のほとんどは、配向した非等尺強化材によって製造された真珠層のような構造を持つものに限られてきましたが、最近では例外として、Cu-W および Mg-Ti システムで、融点の高い別の金属の繊維構造に金属溶融物を浸透させることによって魚の鱗のような構造を製造する例も現れています。

選択的レーザーまたは電子ビーム溶融を使用した 3 次元 (3D) 印刷に代表される金属付加製造技術は、自然界と同様の「ボトムアップ」方式で金属材料を処理する効果的な方法を提供します。これらは、事前に設計された複雑な構造を持つ多孔質金属足場を製造するのに特に効果的であり、生体模倣設計を実装するための新たな機会を提供します。積層造形された金属足場の機械的特性を最適化するために、さまざまな生体模倣構造が使用されてきました。しかし、高密度金属材料におけるこのような構造は、いくつかの制限によって妨げられる可能性があります。まず、金属の積層造形技術は、主に単一の材料システム（または、複数のコンポーネントや原料で構成されている場合であっても単一のコンポーネント）に限定されており、2 つ以上のコンポーネントが関係する場合、プロセスは非常に複雑になる可能性があります。対照的に、自然界で見つかるほとんどの生体材料には、剛性が大きく異なる少なくとも 2 つの成分が含まれています。比較的剛性が高く柔軟なコンポーネントは、通常、3D 空間で二連続性があり、位相的に相互接続されて、特定の相互浸透相構造を形成します。同様の構造は、3D プリントによってポリマー複合材に構築されており、剛性、強度、破壊靭性、エネルギー散逸能力などの特性を改善するのに効果的であることが示されていますが、3D プリントされた金属材料ではほとんど実現されていません。第二に、異なるタイプの生体模倣構造間の機械的特性の直接比較は、材料設計での構造選択に不可欠ですが、金属システムでは実験的にこれが達成されていません。第三に、構造と特性の関係は、性能を向上させるための構造最適化の基礎となりますが、真珠層を模倣したものを除いて、異なる構造を持つ生体模倣金属材料については、これがほとんど不明のままです。特に、金属系におけるこれらの構造に関連する特定の強化および強靭化のメカニズムは未だ解明されていません。

上記の問題を解決するために、中国科学院金属研究所の張哲鋒教授とカリフォルニア大学バークレー校のロバート・O・リッチー教授らの研究チームは、2段階法を用いて、異なるバイオニック構造を含むMg-Ti相互浸透相複合材料群を製造した。具体的には、(i)バイオニック構造を持つ多孔質Ti-6Al-4Vスキャフォールドの3Dプリント、(ii)純粋なマグネシウム溶融物によるスキャフォールドへの無加圧浸透である。 Ti-6Al-4V合金とMgは、比強度が高く、密度が低く、生体適合性に優れているため、コンポーネントとして選択されました。さらに、剛性に大きな差があり、質的に生物材料に似ています。 3 種類の生体模倣構造が設計されました: (i) 真珠層を模倣した固体構造、(ii) 節足動物の外骨格を模倣したねじり合板またはいわゆるブーリガンド構造、(iii) 巻貝または二枚貝の殻を模倣した交差積層構造。

この研究では、3DプリントTi-6Al-4Vスキャフォールドに続いてMgを無加圧浸透させてMg-Ti複合材料を形成することで、3つの生体模倣構造が構築されました。このプロセスでは、2 つの成分間の大きな融点差を利用して激しい化学反応を起こさず、またマグネシウム溶融物と Ti-6Al-4V 合金の濡れ性が良好であることも利用します。私たちの目的は、これらの複合材料の損傷許容度、特に強度、靭性、耐衝撃性を評価および比較し、構造と特性の関係を明らかにし、特定の生体模倣構造に関連する強化メカニズムを解明することです。これを基に、私たちは生体模倣金属材料の建築上の選択と設計に関するガイダンスを提供しようとします。さらに、当社の複合材料は構造および生体医学の用途にも潜在性があると考えています。関連する研究結果は、「バイオインスパイアード構造を持つ3DプリントMg-Ti相互浸透相複合材料の損傷許容性について」というタイトルで、国際的に有名な学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-022-30873-9

3D プリントされた Ti-6Al-4V スキャフォールドに純粋な Mg 溶融物を無加圧浸透させることにより、生体模倣レンガ、ブーリガンド、交差積層構造を持つ 3 種類の Mg-Ti 複合材料が製造されました。 Mg と Ti-6Al-4V の両方の成分は連続しており、3D 空間で相互浸透し、生体模倣複合材料内では、天然のプロトタイプの構造と質的に一致する特定の空間配置を示します。隣接する補強層は、3D プリントプロセス中に形成された融合ジョイントを介して互いに接続されます。析出物は、Mg の粒界と成分間の界面に現れます。

生体模倣複合材料の引張特性は、個別の Ti-6Al-4V 粒子で強化された複合材料の引張特性よりも優れていますが、その特定の構造と密接に関連しています。複合材料のヤング率と強度は、特に構成要素の配向に関連して、その構造的特徴を組み込むように古典的な積層理論を修正することによって変更できます。これは、生体模倣複合材料の建築上の選択と設計のための理論的根拠を提供する可能性があります。

図 1: 3D プリントされた Ti-6Al-4V スキャフォールドとその浸透された Mg-Ti 複合材料の生体模倣構造。図 2: 生体模倣 Mg-Ti 複合材料の微細構造、相組成、元素分布。 a～c Mg-Ti複合材料の顕微鏡写真、b Ti-6Al-4V強化材、c MgマトリックスおよびMgとTi-6Al-4V相の界面領域。 d 粒内（上）および粒界（下）におけるマグネシウムマトリックスの微小領域XRDパターン。 e EDS測定により得られたcの画像に対応する領域におけるMg、Al、Ti、Si、V元素の面積分布。図 3: 3 つの異なる構造を持つバイオニック Mg-Ti 複合材料の一軸引張特性と損傷特性。 a 引張工学の応力-ひずみ曲線と b 複合材料の全体的な破壊形態。引張試験の荷重構成は、a の挿入図に示されています。比較のために粗粒の純Mgのデータも(a)に示されています。 c – e 破断前に荷重がかかっていない引張サンプルの（c）固体、（d）ブーリガンド、（e）交差積層構造のSEM画像とX線コンピュータ断層撮影（CT）のボリュームレンダリング。 CT 画像は、Mg の信号をフィルタリングして処理し、亀裂領域を黄色で強調表示しました。 e の挿入図は、Mg 内の滑り帯と交差積層複合材の亀裂のたわみと分岐を拡大したものです。図 4: 3 つの生体模倣構造のヤング率と強度の積層理論解析。
バイオニック複合材料は「Γ」字型のR曲線を示し、J積分は上昇傾向を示しますが、亀裂伝播速度とともに下降傾向を示します。生体模倣構造は、亀裂の偏向/歪みや、亀裂のない靭帯の架橋など、一連の外的強化メカニズムを誘発し、加えられた応力から亀裂の先端を保護します。これらのメカニズムは、亀裂先端の前の微小亀裂によってさらに促進されます。異なる方向に沿って荷重がかかった場合、交差積層構造のみが衝撃靭性において顕著な異方性を示します。

図 5: 異なる構造を持つバイオニック Mg-Ti 複合材料の破壊と衝撃靭性。図 6: バイオニック Mg-Ti 複合材料の亀裂形態と強化メカニズム。 (a) 固体、(b) ブーリガンド、(c) 交差積層複合材料の準静的破壊靭性サンプルの SEM 画像と CT 体積マップ。 CT 画像は、成分信号をフィルタリングし、亀裂領域を強調表示することによって処理されました。 (b)の白い矢印は亀裂先端に先行する微小亀裂を示している。 (c) の挿入図では、矢印で示されるように、ジグザグの亀裂経路と亀裂面間の摩擦滑りが拡大されています。図 7: 異なる構造を持つバイオニック Mg-Ti 複合材料の機械的特性の比較。
3 つの生体模倣構造のうち、交差積層構造は、材料の強化、損傷の非局在化、および亀裂の伝播の防止に最も効果的です。この構造により、複合材料は強度、破断時の伸び、破壊仕事、破壊および衝撃靭性などの機械的特性の最適な組み合わせを実現します。これは主に、構成の方向とインターフェースの変化がさまざまな長さのスケールでアクティブになる階層的な性質に起因します。

生体模倣マグネシウム-チタン複合材料は、構造および生物医学的用途に潜在性がある可能性があります。バイオニック構造の顕著な強化および強靭化効率は、新たなバイオニック金属材料の開発にさらに活用することができます。現在の理論的分析と処理ルートは、より正確かつ効率的な方法でアーキテクチャを設計および構築する手段を提供することができます。

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