3月19日，《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）在線刊發(fā)材料學(xué)院周華民、黃威教授研究成果“耐損傷多層級多孔陶瓷的冷凍3D打印”（Cryogenic 3D printing of damage tolerant hierarchical porous ceramics）。華中科技大學(xué)材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位及第一通訊單位，周華民、黃威和北京理工大學(xué)王濤教授為論文共同通訊作者，該團(tuán)隊(duì)成員博士生朱征以及北京理工大學(xué)高丹丹為共同第一作者，材料學(xué)院吳斌、孫明翰老師等對該工作的數(shù)據(jù)分析提供了大力支持。
本研究采用了一種將直寫墨水書寫式3D打印技術(shù)與冷凍鑄造法結(jié)合的方式，稱之為“冷凍3D打印”。這項(xiàng)技術(shù)是通過結(jié)合冷凍鑄造的孔隙生成機(jī)制與3D打印的高自由度，實(shí)現(xiàn)了多層級多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑。該技術(shù)制備多層級多孔陶瓷包括漿料配制、低溫?cái)D出成型、冷凍干燥與高溫?zé)Y(jié)。首先，以氧化鋁納米顆粒與殼聚糖為原料制備打印漿料，通過低溫（-20℃）打印平臺逐層擠出漿料，漿料的路徑可控制樣品形成宏觀孔隙，并利用冰晶定向生長形成微米級層狀孔隙；隨后，冷凍干燥去除冰晶并保留微米孔隙；最后，高溫?zé)Y(jié)去除有機(jī)物并同步形成納米孔隙。通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）等多種表征手段揭示了這種多層級多孔的結(jié)構(gòu)。此外，本研究還驗(yàn)證了該技術(shù)對膠原蛋白、碳化硅、二氧化硅、鈦合金等等多種材料的普適性，為多功能多孔材料的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
本研究制備的多層級多孔陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，平臺應(yīng)變長達(dá)60%，比能量吸收達(dá)10.011 kJ/kg，優(yōu)于多數(shù)金屬與復(fù)合材料；動態(tài)沖擊測試中，抗壓強(qiáng)度達(dá)8.854 MPa，且在2000 s?1高應(yīng)變率下仍保持穩(wěn)定能量吸收。通過本課題制備的樣品和其他的之前已報(bào)道的多孔陶瓷對比，本研究中多層級多孔陶瓷不僅沒有出現(xiàn)單一孔尺寸陶瓷固有的應(yīng)力脆性斷裂，而且表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于同孔隙率下其他陶瓷樣品的機(jī)械強(qiáng)度和獨(dú)一無二的高比能量吸收。本研究進(jìn)一步結(jié)合SEM、原位μCT、高速攝像與有限元模擬，揭示了多層級多孔陶瓷在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮與高速沖擊下的破壞機(jī)制：宏觀孔隙通過逐層塌縮延長平臺應(yīng)變，微米孔隙通過壁面斷裂耗能，納米孔隙則通過局部致密化提升能量吸收。該成果不僅為耐損傷輕質(zhì)陶瓷的制造開辟了新方式，更為機(jī)械超材料、智能防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的途徑。
全文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adb9a8/meta
文章始發(fā)于公眾號：華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院：材料學(xué)院周華民黃威教授團(tuán)隊(duì)在仿生多孔陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
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