3D打印皮皮蝦仿生結構，能夠提供令人難以置信的韌性
時間：2022-07-18 09:44 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2022年7月15日，來自深圳高性能材料增材制造重點實驗室和南方科技大學的一組研究人員從大自然的皮皮蝦（螳螂蝦）得到靈感，嘗試3D打印出具有仿生結構的增韌陶瓷復合材料。有抗破壞特性的陶瓷復合材料需求量很大，因為韌性是各種工業應用的一個關鍵要求。這些材料還傾向于提供化學和機械穩定性的組合，使它們能夠應用于從汽車和航空航天到能源系統的一切領域。
不幸的是，由于模具制造的限制，今天的許多傳統陶瓷復合材料加工技術，如冰模鑄造或冷凍鑄造，無法創造出具有復雜和定制幾何形狀的部件。研究團隊現在正在探索如何將從螳螂蝦中發現的保護結構與數字光處理（DLP）3D打印技術結合起來，創造出幾何形狀復雜的陶瓷復合材料部件。
△螳螂蝦。照片來自加州大學伯克利分校的Roy L. Caldwell。
螳螂蝦有什么特別之處？
螳螂蝦，也被稱為皮皮蝦，口足類動物，是一種小型多色海洋甲殼類動物。它們因其好斗的天性和標志性的拳頭狀附屬物而聞名，這種附屬物被稱為雙叉肢節。這種內置的武器被用來粉碎和殺死硬殼獵物，如螃蟹和蝸牛，以令人難以置信的力量移動，甚至可以突破最具保護性的外殼。事實上，人們相信雙鉗的加速度可以達到10,000克，產生的沖擊力與0.22口徑的子彈速度相當。但是，是什么使它們如此耐用？雙叉肢節具有雙連續結構，幫助它們吸收沖擊力，并過濾掉破壞性的剪切波，而不會出汗。有機物由甲殼素制成，這是一種常見于昆蟲和甲殼類動物外殼的化合物，而無機相則由無定形的磷酸鈣和碳酸鈣組成。雙鉗結構共同形成了一種抗裂的屏蔽效果，保護了軀干，讓螳螂蝦的獵物望而卻步。
△雙叉肢節結構。照片來自普渡大學的Pablo Zavattieri。
硬度提升至116倍
在本研究中，研究小組從大自然生物當中獲取靈感，用雙連續氧化鋯/環氧樹脂相3D打印復雜的陶瓷復合結構。
△(A)一只螳螂蝦的照片(圖片來源:Unsplash/CC0 Public
Domain)及其在雙叉肢節沖擊表面的雙連續陶瓷/聚合物相結構。(B)體積分數為40.8%的均勻級配陶瓷及其復合材料的設計與制備工藝。C)燒結陶瓷支架及復合材料固化拋光后的典型照片，樣品尺寸為12
× 12 × 12 mm3。D)陶瓷/聚合物界面鍵合的分子動力學模擬和SEM圖像。比例尺:10μm。
為了測試仿生打印結構的堅韌程度，他們將這一概念應用于牙科修復，用75%體積的氧化鋯3D打印了一系列的牙橋。橋體的分級陶瓷壁的厚度從0.3毫米線性增加到0.7毫米，展示了分級的應力分布，以均勻的方式分散部件上的任何壓縮應力。
在一系列的抗壓測試中，研究小組發現，與純陶瓷相比，他們的打印陶瓷復合材料的強度增加了213%。楊氏模量在打印的部件中只略有增加。令人驚訝的是，打印結構的硬度也增加了116倍，同時實現了使用傳統技術無法制造的獨特幾何形狀。最終，這項研究在模仿螳螂蝦的雙連續結構方面顯示出巨大的前景。3D打印的陶瓷復合材料表現出優異的韌性和抗壓強度特性，這在定制牙齒修復應用中特別有用。該研究的進一步細節可以在題為 "3D打印陶瓷復合材料的仿生增韌設計/3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design"的論文中找到。
(責任編輯：admin)
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