ライス大学の研究者らは、3Dプリントセラミックスの破損耐性を4.5倍に高めることに成功したとサイエンス・アドバンス誌に発表した。

はじめに: セラミック材料は高い強度と弾性率を備えていますが、本質的に脆く、靭性が低いため、多くの構造用途では制限されています。ライス大学の研究者らは、従来のセラミック製品よりも損傷に強い部品を製造するための表面改質法を提案した。
△圧力テスト研究者は、ステレオリソグラフィー（SLA）3Dプリントとコンフォーマルポリマーマイクロコーティングを使用して、より破損しにくいセラミック製品を作成します。彼らは市販のシリカ充填セラミック成形ポリマーを使用して、平均曲率がゼロでガウス曲率が負の 3D 炭素ベースの周期的ネットワークであるシュワルツ石を製造しました。その後、完全に熱分解されて完全なセラミック構造が形成され、その後、柔軟なエポキシポリマーの薄い層でコーティングされます。これにより、新しいセラミック構造は、最終的に従来の製品よりも 4.5 倍の耐破損性を備えています。研究チームは、これらの構造は建物、骨インプラント、耐荷重性人工装具などの分野で幅広く応用できると考えている。

セラミックと脆さの問題<br /> セラミック材料は、耐熱性、耐薬品性、優れた強度と硬度、低い電気伝導性を備えています。また、生体適合性にも優れているため、骨代替物、歯科用部品、さらには組織工学の足場などの生物医学的用途に最適です。しかし、セラミック材料は脆く、高圧負荷がかかると割れやすいため、重い構造用途での使用は制限されます。
△ポリマーコーティングセラミックスの製造と形態。 (A) SLA 3D プリンターを使用して印刷されたセラミックシュワルツァイトのサンプル。（B）サンプルI（コーティングされていないセラミック）、サンプルII（コーティングされたセラミック）。 (C) 2つのサンプルの準静的圧縮研究の概略図。 (D) コーティングされていないセラミックの表面形態のSEM画像。 (E) コーティングされたセラミックの表面形態のSEM画像。 (FおよびG) 断面のSEM画像。
脆さの問題は、多くの場合、硬いセラミック構造に柔らかい有機材料を注入することで解決できます。生体模倣行動の一例としては、軟体動物の殻が挙げられます。これはレンガ状のアラゴナイト小板 (95%) の薄い層と柔らかい生体高分子 (5%) が組み合わさってできています。多くの動物の骨でも同じことが言え、硬いミネラルナノ結晶がコラーゲン繊維と整列して、より耐久性の高い結果を生み出します。
ポリマーコーティングセラミックシュワルツ鉱構造<br /> 研究チームは自然からインスピレーションを得て、Formlabs SLA システムでセラミックのシュワルツ石構造 (SolidWorks を使用して生成) を 3D プリントし、薄くて柔軟なエポキシポリマーの層でコーティングした後、紫外線下で部品をさらに硬化させました。したがって、ポリマーコーティングは多孔質構造に入り込み、細孔を埋めて密度と機械的耐性を高めます。
△ポリマーコーティングがセラミックスの圧縮強度と変形に与える影響。 (A および B) コーティングなしおよびコーティングされたセラミックシュワルツァイトの圧縮応力-ひずみ挙動。（C）圧縮試験スケールバー1cm。（D）コーティングされたセラミックスの層ごとの変形。スケールバー1cm。（E）圧縮試験後のコーティングされたセラミックの亀裂。スケールバー500μm。 (F および G) セラミックとポリマーの界面の亀裂。スケールバー200μm。
対照群では、コーティングされていない構造は衝撃に対して非常に脆く、落下試験や油圧プレス試験で粉砕されましたが、コーティングされたサンプルでは、コンポーネントの破壊耐性を最大 4.5 倍にするために、100 ミクロンの厚さのポリマーコーティング層のみが必要でした。重大な損傷箇所でも、コーティング構造は完全に爆発せず、粉々になって平らになりました。

参考文献: 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. コンフォーマルコーティングによる損傷耐性のある 3D プリントセラミックス。Science Advances、7(28)、p.eabc5028。参考アドレス: https://advances.sciencemag.org/content/7/28/eabc5028

ライス大学の研究者らは、3Dプリントセラミックスの破損耐性を4.5倍に高めることに成功したとサイエンス・アドバンス誌に発表した。

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