3D Printing Bioinspired Ceramic Composites

材料科学 复合材料 陶瓷 3D打印 微观结构 韧性 断裂韧性 复合数 损伤容限 剪切(地质)
作者
Ezra Feilden,Claudio Ferraro,Qinghua Zhang,Esther Garcı́a-Tuñón,Eleonora D’Elia,Finn Giuliani,Luc Vandeperre,Eduardo Saiz
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1) 被引量:145
标识
DOI:10.1038/s41598-017-14236-9
摘要

Natural structural materials like bone and shell have complex, hierarchical architectures designed to control crack propagation and fracture. In modern composites there is a critical trade-off between strength and toughness. Natural structures provide blueprints to overcome this, however this approach introduces another trade-off between fine structural manipulation and manufacturing complex shapes in practical sizes and times. Here we show that robocasting can be used to build ceramic-based composite parts with a range of geometries, possessing microstructures unattainable by other production technologies. This is achieved by manipulating the rheology of ceramic pastes and the shear forces they experience during printing. To demonstrate the versatility of the approach we have fabricated highly mineralized composites with microscopic Bouligand structures that guide crack propagation and twisting in three dimensions, which we have followed using an original in-situ crack opening technique. In this way we can retain strength while enhancing toughness by using strategies taken from crustacean shells.
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