Hongkongi linnaülikooli (CityU) teadlased on välja mõelnud viisi, kuidas muuta 3D-prinditud polümeervõre osad senisest 100 korda tugevamaks.
Võrreldes traditsiooniliste kuumtöötlustega, mis tugevdavad plastist trükitud esemeid deformeeritavuse arvelt, karboniseerib CityU lähenemisviis need lihtsalt osaliselt, et muuta need tugevamaks ja kaks korda plastilisemaks. Meeskond ütleb, et nende protsessi abil on võimalik saavutada keerukat 3D-printimist, mille mehaanilised omadused on kohandatud konkreetsetele rakendustele, nagu koronaarstentid või bioimplantaadid.
"On hämmastav, et oleme leidnud võimaluse muuta haprad ja haprad 3D-prinditud fotopolümeerid ülitugevateks 3D-struktuurideks, mis konkureerivad metallide ja sulamitega, lihtsalt kuumutades neid õigetes tingimustes," ütles CityU professor Lu Yang. "Meie töö pakub odavat, lihtsat ja skaleeritavat teed peaaegu igasuguse geomeetriaga kergete, tugevate ja tempermalmist mehaaniliste metamaterjalide valmistamiseks."
Materjalide "Püha Graali" tagaajamine
CityU teadlaste sõnul peetakse materjalide uurimise ja arenduse "pühaks graaliks" polümeeri väljatöötamist, mis on kerge, kuid ülitugev ja samal ajal plastiline, kuid need omadused on sageli "üksteist välistavad".
Selle põhjuseks on asjaolu, et pürolüüs, protsess, mida tavaliselt kasutatakse plastosade muundamiseks tugevdatud süsinikuks, kuumutades inertses atmosfääris, eemaldab peaaegu kogu algse polümeeri deformeeritavuse. Kuigi meeskond tunnistab, et on olemas ka teisi plasti tugevdamise meetodeid, on nende sõnul tulemuseks ka "loomulik rabedus ja madal sitkus", mis "piirab [lõpposa] struktuurilisi rakendusi".
Eelkõige piiravad need puudused osade valmistamist "metamaterjalidest", millel on omadused, mida looduslikes toorainetes ei leidu. Nende teatud iteratsioone saab kasutada mikrovõrede loomiseks, mis ühendavad kerge konstruktsiooni ja materjalide kvaliteeti, millest need on valmistatud, kuid teadlaste sõnul on nende 3D-printimise võimalused endiselt piiratud.
"Tugevad ja vastupidavad arhitektuurilised komponendid nõuavad 3D-printimiseks sageli metalle või sulameid, kuid need ei ole kaubanduslike metallist 3D-printerite ja toorainete kõrge hinna ja madala eraldusvõime tõttu kergesti kättesaadavad," lisas Yang. "Polümeerid on kergemini kättesaadavad, kuid neil puudub sageli mehaaniline tugevus või sitkus."
Töötage välja 100 korda sitkemad polümeerid
3D-prinditud polümeervõrede uurimise käigus ütles CityU meeskond, et nad on leidnud viisi, kuidas need soojendada maagilise osalise karboniseerumise olekusse. Pürolüüsiprotsessi kuumutuskiirust, temperatuuri, kestust ja gaasikeskkonda hoolikalt kontrollides leidsid teadlased, et mikrovõrede jäikust, tugevust ja plastilisust saab suurendada ühe sammuga.
Teadlased tegid selle avastuse mitmete iseloomustusmeetodite abil, mis näitasid, et aeglane kuumutamine põhjustab pürolüütilise muundamise ajal materjali polümeeriahelate mittetäieliku muutumise. See loob hübriidmaterjali, milles struktuurselt tugevdatud süsiniku fragmendid ja lõdvalt ristseotud polümeerahelad, mis takistavad komposiidi pragunemist, eksisteerivad koos sünergistlikult.
Edasise uurimis- ja arendustegevuse käigus avastasid teadlased, et polümeeri ja süsiniku fragmentide suhe on samuti kriitiline tugevuse ja plastilisuse jaoks optimeeritud osade tootmisel. Oma teooriat proovile pannes lõi töörühm mitu katseprinti, milles nad suutsid iteratiivselt välja töötada karboniseeritud võre, mis oli 100 korda tugevam ja kaks korda plastilisem kui varem.
Lisaboonusena näitasid teadlaste "hübriidsüsiniku" mikrovõred ka paremat biosobivust kui nende baaspolümeerid ja näitasid, et need toetavad paremini raku bioaktiivsust. Seda silmas pidades usub meeskond, et nende protsessi saaks kasutada mitmesuguste muude polümeeride funktsionaalsuse laiendamiseks ja uute 3D-printimismaterjalide avamiseks meditsiini-, robot- ja energiaseadmete jaoks.
Karboniseeritud materjalidest 3D-prinditud koronaarstentide näited