Forskerteam viser komplekse, 3D-printede schwarzitter modstår tryk, når de er belagt

En tynd skal af blød polymer kan hjælpe med at holde knudrede keramiske strukturer i stykker, ifølge materialeforskere ved Rice University.

Keramik lavet med 3D -printere revner under stress som enhver tallerken eller skål. Men dækket af en blød polymer hærdet under ultraviolet lys, de samme materialer har en langt bedre chance for at bevare deres strukturelle integritet, meget ligesom en bil forruds behandlede glas er mindre tilbøjelige til at knuse.

Forskningen ved Rice's Brown School of Engineering, som vises i Videnskab fremskridt , demonstrerer konceptet om schwarzitter, komplekse gitter, der i årtier kun eksisterede som teori, men nu kan laves med 3D -printere. Med tilføjede polymerer, de kommer til at ligne strukturer, der findes i naturen som muslingeskaller og knogler, der består af hærdet blodplader i en biopolymermatrix.

Schwarzitter, opkaldt efter den tyske forsker Hermann Schwarz, der antog i 1880'erne, at de "negativt buede" strukturer kunne bruges overalt, hvor meget stærke, men lette materialer er nødvendige, fra batterier til knogler til bygninger.

Forskerne ledet af rismaterialeforskere Pulickel Ajayan og Muhammad Rahman og kandidatstuderende og hovedforfatter Seyed Mohammad Sajadi beviste gennem forsøg og simuleringer, at en belægning af polymer, der ikke er mere end 100 mikrometer tyk, vil gøre skrøbelige schwarzitter op til 4,5 gange mere modstandsdygtige over for katastrofale brud .

Strukturerne kan stadig revne under tryk, men de falder ikke fra hinanden.

"Vi har klart set, at de ikke -belagte strukturer er meget sprøde, "sagde Rahman, forsker ved Rice. "Men når vi satte de belagte strukturer under komprimering, de vil tage belastningen, indtil de går helt i stykker. Og interessant nok, selv da bryder de ikke helt i stykker. De forbliver lukkede som lamineret glas. "

Holdet, med medlemmer i Ungarn, Canada og Indien, skabt computermodeller af strukturerne og printet dem med et polymer-infunderet keramisk "blæk". Keramikken blev hærdet på flugt af ultraviolette lys i printeren, og derefter dyppet i polymer og hærdet igen.

Sammen med ikke -belagte styreenheder, de indviklede blokke blev derefter udsat for højt tryk. Kontrol schwarzitterne knuste som forventet, men polymerbelægningen forhindrede revner i at forplante sig i de andre, gør det muligt for strukturerne at beholde deres form.

Forskerne sammenlignede også schwarzitterne med belagt fast keramik og fandt, at de porøse strukturer i sagens natur var hårdere.

"Arkitekturen har bestemt en rolle, "Sajadi sagde." Vi så, at hvis vi dækker en fast struktur, virkningen af ​​polymeren var ikke så effektiv som med schwarzitten. "

Ajayan sagde, at belægningerne virkede lidt som de naturlige materialer, de efterligner, da polymeren tilfører defekter i keramikken og øger deres modstand.

Rahman sagde, at flere strukturelle applikationer kunne drage fordel af polymerforstærket keramik. Deres biokompatibilitet kan også i sidste ende gøre dem velegnede til proteser.

"Jeg er ret sikker på, at hvis vi kan optimere disse strukturer topologisk, de viser også godt løfte om brug som bioscaffolds, "Sagde Rahman.