Forschungsteam entdeckt, wie 3D-gedrucktes Polymer in stärkeres, duktiles Hybrid-Kohlenstoff-Mikrogittermaterial umgewandelt werden kann

Die Entwicklung eines leichten Werkstoffs, der sowohl stark als auch hochgradig duktil ist, gilt im Bereich der Strukturwerkstoffe als lang ersehntes Ziel, aber diese Eigenschaften schließen sich im Allgemeinen gegenseitig aus. Forscher der City University of Hong Kong (CityU) haben jedoch kürzlich eine kostengünstige, direkte Methode entdeckt, um häufig verwendete 3D-druckbare Polymere in leichte, ultraharte, biokompatible Hybrid-Kohlenstoff-Mikrogitter umzuwandeln, die jede Form und Größe haben können. und sind 100-mal stärker als die ursprünglichen Polymere. Das Forschungsteam glaubt, dass dieser innovative Ansatz zur Herstellung anspruchsvoller 3D-Teile mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Koronarstents und Bioimplantaten, verwendet werden kann.

Metamaterialien sind Materialien, die so konstruiert sind, dass sie Eigenschaften aufweisen, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu finden sind. 3D-architektonische Metamaterialien wie Mikrogitter vereinen die Vorteile von Konstruktionsprinzipien in Leichtbauweise mit den intrinsischen Eigenschaften ihrer Werkstoffe. Die Herstellung dieser Mikrogitter erfordert oft fortschrittliche Fertigungstechnologien wie die additive Fertigung (allgemein als 3D-Druck bezeichnet), aber die Auswahl an Materialien, die für den 3D-Druck verfügbar sind, ist immer noch ziemlich begrenzt.

„Der 3D-Druck wird zu einer allgegenwärtigen Technologie zur Herstellung geometrisch komplexer Komponenten mit einzigartigen und einstellbaren Eigenschaften. Starke und robuste architektonische Komponenten erfordern normalerweise den 3D-Druck von Metallen oder Legierungen, aber sie sind aufgrund der hohen Kosten und der geringen Auflösung nicht leicht zugänglich kommerzielle Metall-3D-Drucker und Rohmaterialien. Polymere sind besser zugänglich, aber in der Regel fehlt es ihnen an mechanischer Festigkeit oder Zähigkeit. Wir haben einen Weg gefunden, diese schwächeren und spröden 3D-gedruckten Photopolymere in ultrafeste 3D-Architekturen umzuwandeln, die mit Metallen und Legierungen vergleichbar sind, indem sie einfach unter Erhitzen gebracht werden die richtigen Bedingungen, was überraschend ist“, sagte Professor Lu Yang vom Department of Mechanical Engineering (MNE) und Department of Materials Science and Engineering (MSE) an der CityU, der die Forschung leitete.

Eine neue Methode zur Erhöhung der Festigkeit ohne Beeinträchtigung der Duktilität

Der bisher effektivste Ansatz zur Erhöhung der Festigkeit dieser 3D-druckbaren Polymergitter ist die Pyrolyse, eine thermische Behandlung, die die gesamten Polymere in ultrastarken Kohlenstoff umwandelt. Dieser Prozess nimmt dem ursprünglichen Polymergitter jedoch fast seine gesamte Verformbarkeit und erzeugt ein extrem sprödes Material wie Glas. Andere Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit der Polymere führen typischerweise auch zu einer Beeinträchtigung ihrer Duktilität.

Das Team um Professor Lu fand bei der Pyrolyse der 3D-gedruckten Photopolymer-Mikrogitter einen „magischen“ Zustand, der zu einer 100-fachen Steigerung der Festigkeit und einer Verdoppelung der Duktilität des ursprünglichen Materials führte. Ihre Ergebnisse wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht Angelegenheit unter dem Titel „Lightweight, Ultra-tough 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices“.

Sie entdeckten, dass es durch sorgfältige Steuerung der Heizrate, Temperatur, Dauer und Gasumgebung möglich ist, gleichzeitig die Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität eines 3D-gedruckten Polymermikrogitters in einem einzigen Schritt drastisch zu verbessern.

Durch verschiedene Charakterisierungstechniken stellte das Team fest, dass eine gleichzeitige Verbesserung der Festigkeit und Duktilität nur möglich ist, wenn die Polymerketten durch langsames Erhitzen „teilweise karbonisiert“ werden, wobei eine unvollständige Umwandlung der Polymerketten in pyrolytischen Kohlenstoff auftritt, wodurch ein Hybridmaterial entsteht, in dem beides vorhanden ist lose vernetzte Polymerketten und Kohlenstofffragmente koexistieren synergistisch. Die Kohlenstofffragmente dienen als Verstärkungsmittel, die das Material festigen, während die Polymerketten den Bruch des Verbundwerkstoffs einschränken.

Das Verhältnis von Polymer zu Kohlenstofffragmenten ist ebenfalls entscheidend, um eine optimale Festigkeit und Duktilität zu erreichen. Sind zu viele Kohlenstofffragmente vorhanden, wird das Material spröde, sind es zu wenige, fehlt es dem Material an Festigkeit. Während der Experimente schuf das Team erfolgreich ein optimal karbonisiertes Polymergitter, das über 100-mal stärker und mehr als zweimal duktiler war als das ursprüngliche Polymergitter.

Vorteile, die über die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften hinausgehen

Das Forschungsteam fand auch heraus, dass diese „Hybrid-Kohlenstoff“-Mikrogitter im Vergleich zum ursprünglichen Polymer eine verbesserte Biokompatibilität aufwiesen. Durch Zytotoxizitäts- und Zellverhaltensüberwachungsexperimente bewiesen sie, dass die auf den hybriden Kohlenstoffmikrogittern kultivierten Zellen lebensfähiger waren als die auf den Polymermikrogittern ausgesäten Zellen. Die verbesserte Biokompatibilität der Hybridkohlenstoffgitter impliziert, dass die Vorteile der teilweisen Karbonisierung über die Verbesserung der mechanischen Leistung hinausgehen und möglicherweise auch andere Funktionalitäten verbessern können.

„Unsere Arbeit bietet einen kostengünstigen, einfachen und skalierbaren Weg zur Herstellung leichter, starker und duktiler mechanischer Metamaterialien mit praktisch jeder Geometrie“, sagte Professor Lu. Er stellt sich vor, dass der neu erfundene Ansatz auf andere Arten von funktionellen Polymeren angewendet werden kann und dass die geometrische Flexibilität dieser architektonischen Hybrid-Kohlenstoff-Metamaterialien es ermöglichen wird, ihre mechanischen Eigenschaften für eine breite Palette von Anwendungen, wie biomedizinische Implantate, mechanisch anzupassen robuste Gerüste für Mikroroboter, Energiegewinnungs- und Speichergeräte.

Professor Lu ist der korrespondierende Autor und Dr. James Utama Surjadi, ein Postdoc in seiner Gruppe, ist der Erstautor der Arbeit. Zu den Mitarbeitern gehören Professor Wang Zuankai, Lehrstuhlprofessor in der MNE-Abteilung, und Dr. Raymond Lam Hiu-wai, stellvertretender Leiter und außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biomedizinische Technik der CityU.