Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tính chất cơ học của các cấu trúc gốm tế bào được sản xuất bằng phương pháp bổ sung: Một nghiên cứu toàn diện
Tóm tắt
Các cấu trúc gốm tế bào (CCSs) là ứng viên đầy hứa hẹn cho các thành phần cấu trúc trong công nghiệp hàng không và công nghiệp hiện đại nhờ vào các đặc tính vật lý và hóa học phi thường của chúng. Trong nghiên cứu này, các CCSs với các tham số cấu trúc khác nhau, tức là, mật độ tương đối, số lớp, kích thước của các đơn vị cấu trúc và cấu hình cấu trúc, đã được thiết kế và chế tạo bằng công nghệ sản xuất bổ sung (AM) dựa trên xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) nhằm điều tra phản ứng của chúng dưới tải trọng nén một cách hệ thống. Kết quả cho thấy khi mật độ tương đối tăng và kích thước của các đơn vị cấu trúc giảm, các tính chất cơ học của các CCSs một lớp đã tăng lên. Tính chất cơ học của các CCSs ba lớp vượt trội hơn so với các CCSs một và hai lớp. Ngoài ra, cấu hình cấu trúc cũng đóng vai trò quan trọng trong các tính chất cơ học của các CCSs. Tổng thể, các tính chất cơ học của CCSs từ tốt đến kém là theo thứ tự với các cấu hình cấu trúc của lập phương thân tâm biến đổi (MBCC), Octet, SchwarzP, IWP và lập phương thân tâm (BCC). Hơn nữa, các tham số cấu trúc cũng có ảnh hưởng đáng kể đến chế độ hỏng của các CCSs dưới tải trọng nén. Khi mật độ tương đối tăng, chế độ hỏng của các CCSs một lớp đã thay đổi từ chế độ song song—dọc—nghiêng sang chế độ song song—dọc. Đáng chú ý là kích thước của các đơn vị cấu trúc không thay đổi chế độ hỏng. Gãy nghiêng chiếm tỷ lệ lớn hơn trong chế độ hỏng của các CCSs đa lớp. Tuy nhiên, điều này có thể bị hạn chế bằng cách tăng mật độ tương đối. Tương tự, tỷ lệ chế độ song song—dọc và gãy dọc theo một mặt phẳng cụ thể luôn thay đổi theo sự biến thiên của cấu hình cấu trúc. Nghiên cứu này sẽ làm cơ sở cho việc điều tra các tính chất cơ học của các CCSs.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Zhang XQ, Zhang KQ, Zhang L, et al. Additive manufacturing of cellular ceramic structures: From structure to structure—function integration. Mater Design 2022, 215: 110470.
Wang WQ, Zhang L, Dong XJ, et al. Additive manufacturing of fiber reinforced ceramic matrix composites: Advances, challenges, and prospects. Ceram Int 2022, 48: 19542–19556.
Weeger O, Boddeti N, Yeung SK, et al. Digital design and nonlinear simulation for additive manufacturing of soft lattice structures. Addit Manuf 2019, 25: 39–49.
Feng CW, Zhang KQ, He RJ, et al. Additive manufacturing of hydroxyapatite bioceramic scaffolds: Dispersion, digital light processing, sintering, mechanical properties, and biocompatibility. J Adv Ceram 2020, 9: 360–373.
Schwarzer E, Holtzhausen S, Scheithauer U, et al. Process development for additive manufacturing of functionally graded alumina toughened zirconia components intended for medical implant application. J Eur Ceram Soc 2019, 39: 522–530.
Duan SY, Wen WB, Fang DN. Additively-manufactured anisotropic and isotropic 3D plate-lattice materials for enhanced mechanical performance: Simulations & experiments. Acta Mater 2020, 199: 397–412.
Feng YR, Guo X, Huang K, et al. Enhanced electromagnetic microwave absorption of SiOC ceramics targeting the integration of structure and function. J Eur Ceram Soc 2021, 41: 6393–6405.
Zheng HD, Liu LL, Deng CL, et al. Mechanical properties of AM Ti6Al4V porous scaffolds with various cell structures. Rare Metals 2019, 38: 561–570.
Chen AN, Li M, Xu J, et al. High-porosity mullite ceramic foams prepared by selective laser sintering using fly ash hollow spheres as raw materials. J Eur Ceram Soc 2018, 38: 4553–4559.
Chen AN, Li M, Wu JM, et al. Enhancement mechanism of mechanical performance of highly porous mullite ceramics with bimodal pore structures prepared by selective laser sintering. J Alloys Compd 2019, 776: 486–494.
Yao YX, Qin W, Xing BH, et al. High performance hydroxyapatite ceramics and a triply periodic minimum surface structure fabricated by digital light processing 3D printing. J Adv Ceram 2021, 10: 39–48.
He RJ, Zhou NP, Zhang KQ, et al. Progress and challenges towards additive manufacturing of SiC ceramic. J Adv Ceram 2021, 10: 637–674.
Chen Z, Sun XH, Shang YP, et al. Dense ceramics with complex shape fabricated by 3D printing: A review. J Adv Ceram 2021, 10: 195–218.
Li CD, Gu HM, Wang W, et al. Microstructure and properties of Al—7Si—0.6Mg alloys with different Ti contents deposited by wire arc additive manufacturing. Rare Metals 2021, 40: 2530–2537.
Wang WQ, Bai XJ, Zhang L, et al. Additive manufacturing of Csf/SiC composites with high fiber content by direct ink writing and liquid silicon infiltration. Ceram Int 2022, 48: 3895–3903.
Mei H, Zhao RS, Xia YZ, et al. Ultrahigh strength printed ceramic lattices. J Alloys Compd 2019, 797: 786–796.
Gao SY, Wang C, Xing BH, et al. Experimental investigation on bending behaviour of ZrO2 honeycomb sandwich structures prepared by DLP stereolithography. Thin Wall Struct 2020, 157: 107099.
Zhao WM, Wang C, Zhao Z. Bending strength of 3D-printed zirconia ceramic cellular structures. IOP Conf Ser Mater Sci Eng 2019, 678: 012019.
Brodnik NR, Schmidt J, Colombo P, et al. Analysis of multi-scale mechanical properties of ceramic trusses prepared from preceramic polymers. Addit Manuf 2020, 31: 100957.
Shen MH, Wang C, Zhao Z. Mechanical properties of ZrO2 TPMS structures prepared by DLP 3D printing. IOP Conf Ser Mater Sci Eng 2019, 678: 012017.
Ashby MF. The properties of foams and lattices. Phil Trans R Soc A 2006, 364: 15–30.
Huang K, Elsayed H, Franchin G, et al. Additive manufacturing of SiOC scaffolds with tunable structure-performance relationship. J Eur Ceram Soc 2021, 41: 7552–7559.
Zhao WM, Wang C, Xing BH, et al. Mechanical properties of zirconia octet truss structures fabricated by DLP 3D printing. Mater Res Express 2020, 7: 085201.
Lu FL, Wu RH, Shen MD, et al. Rational design of bioceramic scaffolds with tuning pore geometry by stereolithography: Microstructure evaluation and mechanical evolution. J Eur Ceram Soc 2021, 41: 1672–1682.
Shuai XG, Zeng Y, Li PR, et al. Fabrication of fine and complex lattice structure Al2O3 ceramic by digital light processing 3D printing technology. J Mater Sci 2020, 55: 6771–6782.
Zhang XQ, Zhang KQ, Zhang B, et al. Quasi-static and dynamic mechanical properties of additively manufactured Al2O3 ceramic lattice structures: Effects of structural configuration. Virtual Phys Prototy 2022, 17: 528–542.
Vijayavenkataraman S, Kuan LY, Lu WF. 3D-printed ceramic triply periodic minimal surface structures for design of functionally graded bone implants. Mater Design 2020, 191: 108602.
AlMahri S, Santiago R, Lee DW, et al. Evaluation of the dynamic response of triply periodic minimal surfaces subjected to high strain-rate compression. Addit Manuf 2021, 46: 102220.
Zhang KQ, Xie C, Wang G, et al. High solid loading, low viscosity photosensitive Al2O3 slurry for stereolithography based additive manufacturing. Ceram Int 2019, 45: 203–208.
Zhang KQ, He RJ, Ding GJ, et al. Effects of fine grains and sintering additives on stereolithography additive manufactured Al2O3 ceramic. Ceram Int 2021, 47: 2303–2310.
He C, Ma C, Li XL, et al. Polymer-derived SiOC ceramic lattice with thick struts prepared by digital light processing. Addit Manuf 2020, 35: 101366.
Rasaki SA, Xiong DY, Xiong SF, et al. Photopolymerization-based additive manufacturing of ceramics: A systematic review. J Adv Ceram 2021, 10: 442–171.
Zhang XQ, Zhang KQ, Zhang B, et al. Additive manufacturing, quasi-static and dynamic compressive behaviours of ceramic lattice structures. J Eur Ceram Soc 2022, 42: 7102–7112.
Zhang KQ, Meng QY, Cai NJ, et al. Effects of solid loading on stereolithographic additive manufactured ZrO2 ceramic: A quantitative defect study by X-ray computed tomography. Ceram Int 2021, 47: 24353–24359.
Kumar S, Ubaid J, Abishera R, et al. Tunable energy absorption characteristics of architected honeycombs enabled via additive manufacturing. ACS Appl Mater Inter 2019, 11: 42549–42560.
Deshpande VS, Ashby MF, Fleck NA. Foam topology: Bending versus stretching dominated architectures. Acta Mater 2001, 49: 1035–1040.
Huang YJ, Xue YY, Wang XF, et al. Effect of cross sectional shape of struts on the mechanical properties of aluminum based pyramidal lattice structures. Mater Lett 2017, 202: 55–58.
Huang YJ, Xue YY, Wang XF, et al. Mechanical behavior of three-dimensional pyramidal aluminum lattice materials. Mater Sci Eng A 2017, 696: 520–528.
Shen MH, Qin W, Xing BH, et al. Mechanical properties of 3D printed ceramic cellular materials with triply periodic minimal surface architectures. J Eur Ceram Soc 2021, 41: 1481–1489.