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美国学者材料顶刊《Materials Today》:3D打印分级多孔高性能陶瓷!

 材料科学网 2022-08-07 发表于江西

分级多孔陶瓷(Hierarchically porous ceramic)由于在多尺度上具有可调控的孔隙率,是一种具有低密度、高比性能(high specific properties)和多功能性的材料,可广泛应用于轻量化结构、催化剂载体、热绝缘和电极等领域。目前,周期性和随机分布的分级多孔结构均已有报道:例如超轻量化的3D 八面体型结构(octet trusses)和晶格结构(lattices)表现出优异的比刚度和比强度。然而,这些纳米结构材料需要昂贵的微加工或双光子光刻生成聚合物模板(polymer templates),再通过原子层沉积进行涂层以转变成金属或陶瓷结构。另外,分级多孔陶瓷已在宏观尺度上通过蚀刻、造孔剂/发泡剂或冷冻干燥等方式成功制备。尽管这些方法制备的陶瓷具有低密度和可调控多孔形状,但是这些孔径通常在 10-100微米之间,还不足以形成在微纳加工结构中产生的独特机械响应。

近日,由美国空军研究实验室(AFRL)联合麻省大学(UMass Amherst)和哈佛大学(Harvard University)等研究团队提出一种自组装(self-assembly)结合 3D 打印技术来创建具有从微米级到纳米级的多级多孔陶瓷结构。其中,微米尺度孔隙率是通过墨水直写技术(Direct Ink WritingDIW)创造具有3D晶格结构的圆柱形支柱而成。纳米尺寸孔隙率是在每个支柱内部通过嵌段共聚物模板(block copolymer templating),随后在无氧环境下进行光聚合和热分解,从陶瓷前驱体聚合物和聚碳硅烷(polycarbonsilane)转变成具有“纳米珊瑚状”形貌的SiOC陶瓷。

所制备的分级多孔陶瓷3D晶格结构具有可与金属泡沫材料相媲美的优异能量吸收能力(0.31 MJ/m3)。并具有比块体陶瓷前驱体聚合物转化陶瓷(bulk preceramic polymer-derived ceramics)低一个数量级的热导率(0.087–0.16 W/m·K)。

另外,在热分解之前,可对打印的晶格结构进行设计以形成更复杂的形状,包括扭曲、旋转和悬垂(overhang)以及反复折叠的方式来设计一个折纸飞机。通过结合自组装和定向组装,本文为制备分级多孔陶瓷开辟了新的途径。相关成果以“Hierarchically porous ceramics via direct writing of preceramic polymer-triblock copolymer inks”为题于2022729日在Materials Today上在线发表。文章共同通讯作者为美国麻省大学陈文教授,美国哈佛大学Jennifer. A. Lewis院士和美国空军实验室Dickerson研究员。

论文链接:

/science/article/pii/S1369702122001833

1 陶瓷前驱体-嵌段聚合物的复合墨水。(a) 光聚合的陶瓷前驱体-嵌段聚合物的化学成分由PCSPMMA-PnBA和羟基交联剂组成;(b) 陶瓷前驱体-嵌段聚合物墨水的宏观图;(c-e) 分别是打印态、Cured和分解态的3D晶格结构(下图为对应的示意图)。

2 墨水粘度和可打印性参数。

3 分级多孔陶瓷的3D晶格结构形貌图。(a) 3D晶格结构的SEM图(垂直截面图);(b)取自(a)图中具有代表性支柱(横截面)的SEM图;(c) 热分解后,取自(b)图中支柱(横截面)代表区域的SEM图;(d)陶瓷前驱体聚合物/嵌段共聚物墨水的AFM图,形貌为“珊瑚状”。其中PMMA为明亮区域,PnBA/PCP为黑色区域。

4 分级多孔陶瓷的3D晶格结构的力学性能图。(a)一条具有代表性的多级多孔陶瓷的3D晶格结构的压缩工程应力-应变图(密度为0.37 g/cm3 ),图中(i) 为线弹性阶段 (linear elasticity)(ii)为脆性破碎平稳阶段 (brittle crushing plateau)(iii)最终致密阶段 (final densification)(b) 不同密度下,分级多孔陶瓷的3D晶格结构的工程应力-应变图;(c) 密度为0.37 g/cm3 的应变-能量吸收效率图,其中εd代表致密化应变的起始点,定义为最大能量吸收效率时的应变。

5 本文制备的分级多孔陶瓷与其他可构建化材料(architected mateirals)的性能对比图。(a)屈服强度和(b)归一化能量吸收能力与相对密度关系的Ashby图。[图中红色五角星为本文的数据]

6 对分级多孔陶瓷进行弯曲、扭转和折叠过程

附麻省大学课题组招生宣传:美国麻省大学机械系陈文教授课题组诚招博士生和访问学生2023年春季或夏季入职,来一起探索多尺度先进材料及制造相关领域的研究,具体请参见网站blogs.umass.edu/wenchen/,申请截止日比较灵活,TOEFLIELTS即可。课题组研究强调多学科的交叉,通过丰富的材料加工技术(如激光3D打印,直写3D打印,等离子3D打印,冷喷涂等)制备先进多尺度结构及功能材料,并研究其中组织-性能-加工三者之间的联系,具体研究对象材料主要包括非晶态合金,高熵合金,高性能钢及电化学功能材料。课题组和多所单位合作,包括Lawrence Livermore国家实验室,oak ridge国家实验室,Argonne国家实验室,期间有很多机会去国家实验室交流合作或实习。

我们诚挚邀请有理想有动力,具有冶金、材料、力学、机械,物理等相关科研背景的同学联系本课题组,同时非常欢迎由国家留学基金委(CSC)资助的研究生和访问学者加入,一起探索多尺度材料及制造的未来,一起学习进步。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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