پرینت 3-بعدی سرامیک های مقاوم به آسیب از طریق پوشش مقاوم
Damage-tolerant 3D-printed ceramics via conformal coating
سرامیک ها که دارای خواص فوق العاده ای، همچون مقاومت محیطی بالا، چگالی پایین، و خواص مکانیکی عالی هستند، در کاربردهای مهندسی بسیار محبوب هستند. همچنین، زیست سازگاری چشمگیر سرامیک ها موجب شده است که در کاربردهای زیست درمانی مانند جایگزینی استخوان، داربست های مهندسی بافت، دندان ها، و ابزار جراحی، نیز مورد توجه باشند. با این وجود، سرامیک ها تغییرشکل پلاستیک تقریبا صفر و چقرمگی بسیار پایینی دارند، چون تحمل بسیار پایینی در برابر شکست از خود نشان می دهند. حتی کوچک ترین عیوب که در حین فرایند ساخت ایجاد می شوند، می توانند استحکام و چقرمگی سرامیک ها را تغییر دهند. در نتیجه، تردی ذاتی یا مکانیزم استحکام دهی ضعیف سرامیک ها، کاربردشان را، به خصوص در شرایط محیطی، محدود کرده است.
در سوی دیگر، طبیعت از طریق توسعه کامپوزیت های پایه سرامیک و با بهره بردن از طرح های پیچیده ای با مقیاس های طولی چندگانه و طرح های درونی شده، بر محدودیت های سرامیک ها غلبه کرده است. از این طریق، ترکیب بهینه ای از کانی های سخت با فازهای آلی نرم و از طریق روی هم قرار گرفتن به صورت لایه به لایه، ایجاد می شود. مثال های فراوانی در زمینه ساختارهای کامپوزیتی پایه سرامیک با استحکام عالی وجود دارد که از اجزایی ساخته شده اند که خواص مکانیکی نسبتا پایینی دارند. برای نمونه، مروارید از پوسته صدف از صفحات کوچک آجر مانند، لایه ای و نرم آراگونیت (CaCO3) (به میزان 90 درصد حجمی) تشکیل شده است که توسط بایوپلیمرها (5 درصد حجمی) به صورت 3-بعدی، به صورت آجر و ملات، به یکدیگر متصل شده اند و چقرمگی شکست آن تقریبا سه برابر بیشتر از اجزای سازندۀ آن است. به صورت مشابه، استخوان یک نانوکامپوزیت با طراحی شاخه ای (hierarchical) است که از یک زمینه نرم (فیبریل های کالوژن، 20 تا 30 درصد) و نانوکریستال های مینرال سخت (هیدروکسی آپاتیت ورق-مانند، 60 درصد) ساخته شده است که به صورت تناوبی در راستای فیبریل ها، قرار گرفته اند. گرچه این ساختارها میزان مینرال بالایی دارند، آن ها می توانند انتشار ترک را متوقف کنند و از شکست فاجعه بار جلوگیری کنند، از این طریق که چندین مکانیزم استحکام دهی و چقرمه سازی را در مقیاس های اندازه ای متفاوت، ترکیب می کنند. به صورت معمول، میکروساختار این کامپوزیت های طبیعی به صورت جهت گیری طراحی متفاوت طرح شده است، به این ترتیب کهه لایه سطحی سرامیکی سخت استحکام شکست بالایی فراهم می کند و یک سطح پروتئینی نرم امکان تغییر شکل زیاد را فراهم می کند.
محققین فراوانی از طریق الگوبرداری از این مفاهیم در طبیعت، اقدام به ساخت ساختارهای سرامیکی با خواص بهتر و چقرمگی به مراتب اصلاح شده، نموده اند. در یکی از موارد اخیر که در مجله Science Advances، منتشر شده است و چندین محقق ایرانی نیز در آن مشارکت دارند، یک ساختار سرامیکی با مقاومت مکانیکی بالا ساخته و طراحی شده است. به صورت خلاصه، این ساختار سرامیکی از طریق پرینت 3-بعدی با طراحی خاصی ساخته شده است و سپس یک پوشش بر روی آن قرار گرفته است تا ساختاری مقاوم، همچون موارد موجود در طبیعت، ساخته شود. این ساختارها با طراحی ویژه با استفاده از پلیمرهای پیش مادۀ سرامیک که توسط سیلیکا پر شده اند، پرینت 3-بعدی شدند، که طی این فرایند، پلیمر پیش مادۀ سرامیک پیرولیز می شود تا داربست های سرامیکی ایجاد شوند، و سپس این ساختار ها توسط یک لایه نازک پلیمیری اپوکسی منعطف، به صورت دیپ کوتینگ، پوشانده می شود. این ساختارهای سرامیکی دارای پوشش پلیمیری، خواص بسیار بهتری را در استحکام فشاری و چقرمگی نشان دادند و از طریق تاخیر قابل توجه در انتشار آسیب، از شکست فاجعه بار نیز جلوگیری کردند. این رویکرد اصلاح سطح موجب می شود که از طریق یک روش ساده، قطعات سرامیکی پیچیده ای ساخته شوند که مقاومت به آسیب بسیار بهتری نسبت به قطعات معمولی دارند.
