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《Additive Manufacturing》:基于仿生增韧的陶瓷复合材料3D打印

《Additive Manufacturing》:基于仿生增韧的陶瓷复合材料3D打印

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-02-21 14:29
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【概要描述】2022年7月9日,南方科技大学机械与能源工程系白家鸣教授团队在《Additive Manufacturing》上发表题为3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design的研究论文,提出了一种通过3D打印和新型仿生设计制造具有复杂几何形状的耐损伤陶瓷复合材料的有前景的方法。

《Additive Manufacturing》:基于仿生增韧的陶瓷复合材料3D打印

【概要描述】2022年7月9日,南方科技大学机械与能源工程系白家鸣教授团队在《Additive Manufacturing》上发表题为3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design的研究论文,提出了一种通过3D打印和新型仿生设计制造具有复杂几何形状的耐损伤陶瓷复合材料的有前景的方法。

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2022年7月9日,南方科技大学机械与能源工程系白家鸣教授团队在《Additive Manufacturing》上发表题为3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design的研究论文,提出了一种通过3D打印和新型仿生设计制造具有复杂几何形状的耐损伤陶瓷复合材料的有前景的方法。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103027

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 研究简介 

 

由于具有出色的化学和机械稳定性,具有高韧性的耐损伤陶瓷在各种实际应用中都非常需要,但由于模具形状的限制,目前的加工策略无法制造出具有复杂或定制几何形状的零件。这项工作报告了一种通过利用增材制造(AM)和新型仿生增韧设计来制造具有出色损伤容限的几何复杂陶瓷复合材料部件的有前景的方法。制成的陶瓷复合材料避免了灾难性故障,与纯陶瓷相比,韧性显着提高(≈116倍),并具有传统方法无法创建的定制几何形状。

 

 

图1 烧结陶瓷和陶瓷/聚合物复合材料的机械性能(A)具有均匀和渐变特征的烧结陶瓷和复合材料的压缩应力-应变曲线。力学性能与陶瓷体积分数的关系(B)抗压强度(C)杨氏模量(D)韧性

 

 

 

图2 (A)使用有限元分析的TPMS结构的应力分布(B)40.8vol%烧结陶瓷和复合材料的抗压强度的实验和模拟结果(C)40.8vol%烧结陶瓷和复合材料的抗压强度、杨氏模量和韧性的比较

 

 

 

图3 生产的复合材料与工程材料的性能比较(A)分级复合材料的比强度,以及各种其他材料(B)在这项工作中,复合材料和其他材料中每单位体积的能量吸收与最大传递应力的关系

 

 

 

图4 展示所生产的复合材料的牙科修复应用(A)3单元FPD的三维模型和生产的3单元FPD坐在设计的固定树脂底座上(B)含有外釉质和内牙本质层的人类牙齿结构(C)3单元FPD的设计和制造示意图,以及人下颌制造的3单元FPD的前视图(D)我们的复合材料与人类牙本质和牙釉质的抗压强度、抗弯强度、韧性和密度的比较(E)评估细胞增殖的CCK-8测定;两个样本之间没有发现显著差异。比例尺:200µm

 

 

 研究结论 

 

在这项工作中,作者成功地提出了一种有前途的方法,通过3D打印和新颖的仿生设计制造具有复杂几何形状的耐损伤陶瓷复合材料。模仿螳螂虾的双连续结构使所获得的陶瓷复合材料具有显着的韧性和承载能力。对仿生结构的增韧机理进行了实验和理论研究。所生产的复合材料在牙齿修复体中具有巨大的潜力。更重要的是,预计该方法可以扩展到其他高性能工程材料的制造,从而在组织工程、汽车和航空航天工业到能源设备等各个领域实现新应用。

 

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