3Dプリントポリマーコーティングコーティングされたセラミックは粉砕を防ぐことができます

セラミック材料は高強度と高弾性率を持っていますが、固有の脆性と低靭性のため、多くの構造用途で制限されています。 ただし、ハードセラミックとソフトポリマーで構成されるボトムアップの複雑なグレーディングコンポーネントを使用すると、セラミックは非常に少量のポリマーで内部化されてパッケージ化され、この構造は本質的にこの制限を克服します。

セラミック材料は、その優れた耐環境性、低密度、高強度特性により、構造用途で広く使用されています。さらに、セラミックの優れた生体適合性は、代用骨、組織工学の足場、歯科、外科用器具、器具など、多くの生物医学的用途での用途を引き付けます。ただし、耐破壊性が限られているため、塑性変形はほぼゼロで、靭性は低くなります。加工中に発生するわずかな欠陥でも、セラミックの強度と靭性を大きく損なう可能性があります。したがって、環境条件下でさえ、この固有の脆性または不十分な強化メカニズムは、多くの構造部品へのセラミック材料の適用を制限します。

現在、バイオニックの概念は、合わせガラスやデュアルネットワークヒドロゲルなどの他のエンジニアリング材料の設計に使用されています。これらの構造では、剛性および/または脆性相の主な欠点（荷重下での低い破壊抵抗）は、相互接続されたポリマーセラミック構造の形成によって克服されています。その結果、高強度と靭性の複合的な利点が達成され、これらの構造は、自動車のフロントガラス、ハリケーンに強い建築用窓、防爆窓、合成結合組織などのさまざまな用途に役立ちます。それにもかかわらず、この特定の概念をさらに拡張して、構造的配置および／または構成の観点から革新的な材料設計を開発することができる。具体的には、不浸透性または複合材料形成の損傷許容性を確保しながら、セラミックベースの構造でポリマーフィルムを単純かつ費用効果的に包むことは達成されていない。従来のセラミックに溶融ガラス釉薬を使用する目的は、表面の亀裂を埋めて滑らかな表面を得ることにありますが、このコーティングは、構造が劣化しなくても、構造の固有の脆性を改善しません。

この研究では、米国のライス大学とハンガリーのSzeged大学の研究者が、ステレオリソグラフィー（SLA）3D印刷とコンフォーマルポリマーマイクロコーティングにより、軟質相がセラミック構造から完全に外部化されたと報告しました。損傷に強いセラミック構造。シュヴァルツァイトと呼ばれる有名な建築構造は、市販のシリカ充填セラミックポリマーを使用して開発されました。ポリマーは完全に熱分解されて完全なセラミック構造を作成し、次に柔軟なエポキシポリマーの薄層がセラミック構造に適用されます。機械的特性コーティングされた構造用セラミックの割合は、一軸圧縮試験によって分析され、コーティングされていないセラミックのそれらと比較されます。

シュヴァルツァイトは、1880年代に、電池から骨、建物まで、非常に強力で軽量な材料が必要な場所ならどこでも「負の曲げ」構造を使用できると考えたドイツの科学者ヘルマンシュヴァルツにちなんで名付けられました。



図1.ポリマーコーティングされたセラミックの調製と形態
▲イラスト：（A）SLA3Dプリンターでセラミックシュワルツァイトサンプルを印刷します。 （B）サンプルI（コーティングされていないセラミック）は、それ以上の処理を行わずにセラミックでできています。サンプルII（コーティングされたセラミック）をエポキシ樹脂に浸し、紫外線下に置いてエポキシ樹脂を硬化させ、表面全体に薄いコンフォーマルコーティングを形成しました。 （C）2つのサンプルの準静的圧縮研究の概略図。サンプルIは壊滅的な損傷を受けましたが、サンプルIIは層ごとの変形と段階的な破損を示しました。 （D）コーティングされていないセラミック表面形態の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。コーティングの均一性を示しています。 （FおよびG）低倍率および高倍率でのポリマー-セラミック界面およびコーティングの厚さ（〜70〜100μm）を示す断面SEM画像。


（AおよびB）コーティングされていないセラミックシュワルツァイトとコーティングされたセラミックシュワルツァイトの典型的な圧縮応力-ひずみ挙動。セラミックをエポキシ樹脂に浸すと、建物構造の強度と靭性が効果的に向上します。エポキシ樹脂コーティングにより、構造の圧縮靭性が大幅に向上します。 （C）低ひずみ値でのコーティングされていないセラミックの壊滅的な破損を示す圧縮試験の一連のスナップショット。スケールバー、1cm。 （D）層ごとの変形によるコーティングされたセラミックの段階的な破損は、セラミックなどの脆い材料では一般的ではないコーティングの役割を説明します。スケールバー、1 cm（E）SEMは、圧縮試験後のコーティングされたセラミックの亀裂のたわみを示しています。スケールバー、500ミクロン。 （FおよびG）亀裂が始まり、建物構造の内部および外部の柱を通って伝播し、赤い矢印で示されているように、セラミックとポリマーの界面に亀裂の停止が観察されました。スケールバー、200ミクロン。写真提供者：ライス大学のSeyed Mohammad Sajadi

ライス材料科学者のPulickelAjayanとMuhammadRahmanが率いる研究者、大学院生、主執筆者のSeyed Mohammad Sajadiは、実験とシミュレーションを通じて、厚さが100ミクロン以下のポリマーコーティングが壊れやすいシュヴァルツストーンを壊滅的に破壊することを実証しました。 4.5回。構造物は圧力を受けても壊れることがありますが、壊れることはありません。

研究者は、コーティングされていない構造が非常に壊れやすいことを明確に確認しましたが、コーティングされた構造を圧縮すると、完全に破壊されるまで荷重に耐えます。面白いのは、それでも完全には壊れないということです。それらは合わせガラスのように閉じたままです。
チームメンバーはハンガリー、カナダ、インドから来ており、これらの構造のコンピューターモデルを作成し、ポリマーを注入したセラミック「インク」で印刷しました。セラミックは、紫外線ランプを備えたプリンターですばやく硬化し、次にポリマーに浸して再び硬化します。次に、コーティングされていないコントロールユニットとともに、複雑なブロックが高圧にさらされます。コーティングされていないセラミックと比較して、コーティングされたセラミック形状の強度と靭性は何倍も高くなっています。対照のシュワルツァイトは予想通りに粉砕されましたが、ポリマーコーティングにより、亀裂が他の亀裂に伝播するのを防ぎ、構造がその形状を維持できるようにします。

ポリマー強化セラミックの生体適合性により、最終的には補綴物に適したものになる可能性があります。研究者たちは、これらの構造をトポロジー的に最適化できれば、生物学的折り畳みとしても良い見通しを示すと確信しています。