Neuer Durchbruch im Hydrogel-3D-Druck! „Weichheit zur Kontrolle der Steifigkeit nutzen“ zur Realisierung komplexer Strukturkeramiken

Produziert von: Science Popularization China
Autor: Liu Desheng, Wang Xiaolong (Lanzhou Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Nachdem Ton und Wasser vermischt wurden, werden sie weich und plastisch und können geknetet, geschnitzt und geformt werden. Durch einen speziellen Trocknungs- und Brennprozess wird der Ton aus seinem plastischen Zustand in harte, haltbare Keramik oder Skulpturen verwandelt. Durch einen speziellen „Brenn“-Prozess wird dieser „Ton“ zu harter Keramik. Ein flexibler Hydrogel-Keramik-Vorläufer ist ein solcher „Zauberton“. Damit haben wir das Problem der Herstellung von Keramik mit komplexen Formen gelöst.

Wie also stellen wir diesen „Zauberboden“ her und wie „trocknen“ wir ihn?

Das einzige, was Keramik fehlt, um „High-End“ zu sein, ist, „weich“ zu werden.

Wir wissen, dass keramische Werkstoffe eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und gute elektrische Isolierung aufweisen. Aufgrund dieser hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften ist Keramik auch ein Werkstoff für die Herstellung vieler Gegenstände des täglichen Bedarfs.

Bildquelle: Veer Gallery

Tatsächlich kann Keramik mit ihren zahlreichen Vorteilen nicht nur zu Töpfen und Pfannen für den Haushalt verarbeitet werden, sondern auch in vielen anderen Bereichen eine Rolle spielen. Allerdings schränken ihre Eigenschaften, nämlich zu hart und zu spröde, die Anwendung herkömmlicher Keramikmaterialien (keramische Vorläufer auf Harzbasis) in anspruchsvolleren Szenarien ein.

Erstens ist es schwierig, aus herkömmlichen Keramikmaterialien komplexe Formen herzustellen , insbesondere bei der Herstellung komplexer geometrischer Formen und eingebetteter Strukturen. Dies liegt daran, dass keramische Werkstoffe üblicherweise durch Formen, Schlickergießen und Extrudieren verarbeitet werden. Auch Keramik muss bei hohen Temperaturen gesintert werden, um ihre endgültigen mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Dieser Prozess führt häufig zu einer Schrumpfung und Verformung des Materials, was die präzise Herstellung komplexer Strukturen einschränkt.

Zweitens erschweren herkömmliche Keramikverarbeitungsmethoden die Kontrolle der Abmessungen bei der Herstellung hochpräziser Komponenten, insbesondere bei winzigen Komponenten. Aufgrund von Materialschrumpfung und unkontrollierbaren Faktoren im Sinterprozess ist es oft schwierig, eine hohe Präzision zu erreichen. Darüber hinaus ist bei herkömmlicher Keramik nach dem Sintern häufig eine Nachbearbeitung (wie Schleifen und Polieren) erforderlich, was die Produktionskosten und den Produktionsaufwand erheblich erhöht.

Darüber hinaus neigen keramische Werkstoffe während des herkömmlichen Herstellungsprozesses zur Bildung von Rissen, Poren und anderen Defekten , die die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit der Werkstoffe erheblich beeinträchtigen können. Insbesondere bei hochpräzisen und hochfesten Anwendungsszenarien sind diese Mängel nicht akzeptabel.

Bildquelle: Veer Gallery

Zu diesem Zweck begannen sich Wissenschaftler zu fragen, ob sie einen „magischen Ton“ entwickeln könnten, der unter bestimmten Umständen seine Form oder Leistung ändern könnte, sodass keramische Materialien eine größere Rolle spielen könnten.

Um sowohl Steifigkeit als auch Flexibilität zu erreichen, fügen Sie einfach Keramik zum Hydrogel hinzu

Es ist nicht einfach, solch einen „Zauberton“ herzustellen. Es muss während der Formgebung so weich und leicht formbar sein wie Plastilin, nach der Formgebung soll es jedoch auch so hart und haltbar sein wie Keramik. Offensichtlich ist es für bestehende Materialien schwierig, solche widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen.

Inspiriert von der Papierschneidekunst und intelligenten Materialien kamen die Forscher zu dem Schluss, dass weiches Hydrogel ein Material mit einem gewissen Grad an Verformbarkeit ist, das bei der Verarbeitung oder Verwendung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Ist es also möglich, die Eigenschaften dieses Materials mit Keramik zu kombinieren, sodass es wie Papier in die gewünschte Form „geschnitten“ werden kann?

Das Team des Key Laboratory of Lubricating Materials am Lanzhou Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat sich mit der Erforschung des 3D-Drucks von Hydrogelen und Keramikmaterialien beschäftigt. Wir möchten diese beiden völlig unterschiedlichen Materialien kombinieren, indem wir die Flexibilität von Hydrogelen nutzen, um durch Phasenwechsel die Härte von Keramik zu erreichen und so den idealen Effekt zu erzielen, „mit Weichheit die Härte zu überwinden“.

Es traten jedoch bald Probleme auf. Aufgrund der enormen Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von Hydrogelen und Keramiken war es für das Material schwierig, nach der Formgebung eine stabile Struktur beizubehalten. Zudem kam es zu Problemen wie starker Dimensionsschrumpfung und Strukturrissen.

Um die beiden Materialien besser kombinieren zu können, dachten wir an ein Ergebnis, das das Team zuvor veröffentlicht hatte – eine grundlegende Methode zur Verwendung wasserbasierter anorganischer Bindemittel zur Herstellung von Niedertemperatur-Sinterkeramiken und Keramiken mit extrem geringer Schrumpfung . Daher haben wir versucht, das Hydrogelmonomer in diesem wässrigen anorganischen Bindemittel aufzulösen und eine bestimmte Menge Keramikpulver hinzuzufügen, um eine wasserbasierte Keramikaufschlämmung mit lichthärtbaren Eigenschaften herzustellen.

Wir haben festgestellt, dass durch Lichthärtung dieses Materials, gefolgt von Trocknen, Entbindern und Sintern, eine Keramik mit extrem geringer Schrumpfung und ohne Rissbildung entstehen kann. Dies bedeutet, dass die Entwicklung des „magischen Tons“, eines flexiblen Hydrogel-Keramik-Vorläufers, erfolgreich war!

Ein Schema für den lichthärtenden 3D-Druck flexibler Hydrogel-Vorläufer zur Unterstützung der Herstellung komplexer Keramikstrukturen

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Wie läuft die Herstellung des Hydrogel-Vorläufers ab?

1. Unter Verwendung von Aluminiumdihydrogenphosphatsol als Dispersionsmedium wurden Hydrogelmonomer und Nanokeramikpulver gemischt, um eine lichtempfindliche Hydrogelkeramikaufschlämmung herzustellen.

2. Bereiten Sie eine lichtempfindliche Hydrogel-Keramikaufschlämmung vor, indem Sie Hydrogelmonomere wie Acrylamid und Acrylsäure, wasserlöslichen Initiator LAP, Nanokeramikpulver wie Aluminiumoxid und Hydroxylapatit mit einem vom Team selbst hergestellten Aluminiumdihydrogenphosphatsol mischen. Das Hydrogelmonomer wird hauptsächlich verwendet, um dem Keramikschlicker hervorragende Lichthärtungseigenschaften zu verleihen, und das Dihydrogenphosphat-Aluminiumsol dient nicht nur als Dispersionsmedium, sondern auch als Bindemittel für die Keramik.

Diese Forschung verbindet erfolgreich Flexibilität und Starrheit und bietet Materialwissenschaftlern zudem eine neue Denkweise: Materialien sind nicht mehr nur die Verkörperung einer einzelnen Eigenschaft, sondern können durch die organische Kombination mehrerer Eigenschaften komplexere und umfangreichere Anwendungen erreichen.

Von flach bis dreidimensional: 3D-Druckkeramik bietet viele Vorteile

Wenn wir wollen, dass Keramik breitere Anwendung findet, müssen wir neben der Lösung des Formgebungsproblems auch darüber nachdenken, wie wir den „Zauberton“ hart machen können. Als Reaktion darauf dachten die Forscher an den 3D-Druck.

Mithilfe der 3D-Drucktechnologie können aus einigen klebefähigen Materialien durch schichtweises Drucken feste Teile hergestellt werden. Wenn wir es mit flexiblen Hydrogel-Keramik-Vorläufern kombinieren können, können wir Produkte oder Geräte mit komplexeren Strukturen herstellen, die sich für mehr Anwendungsszenarien eignen.

Insbesondere können wir zunächst die lichthärtende 3D-Drucktechnologie nutzen, um ein flexibles Hydrogel-Skelett mit hervorragender Duktilität, Formanpassungsfähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erhalten. Nach der Dehydratation und Trocknung, der Entfettung bei niedrigen Temperaturen und dem Sintern bei hohen Temperaturen wird es hart und bildet eine Keramikstruktur mit extrem geringer Schrumpfung, hoher Keramikausbeute und Formtreue.

Diese Technologie hat wichtige Durchbrüche in der Materialwissenschaft und Fertigungstechnologie für die Herstellung von Geräten mit dreidimensionaler komplexer Struktur erzielt und die Anwendung neuer Keramikmaterialien in zahlreichen Bereichen gefördert.

Im medizinischen Bereich können flexible Hydrogelkeramik-Vorläufer verwendet werden, um Implantate herzustellen, die vollständig der anatomischen Struktur des Patienten entsprechen. Beispielsweise kann die Verformbarkeit des flexiblen Hydrogelskeletts genutzt werden, um die Keramikstruktur zur Reparatur des Knochendefekts an die unterschiedlichen Schädeldefektformen des Patienten anzupassen.

In der Luft- und Raumfahrt kann es mit anderen Funktionsmaterialien kombiniert werden, um komplexe Luft- und Raumfahrtstrukturen herzustellen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit keramischer Materialien machen sie zu idealen Kühlkörpern für elektronische Komponenten. Durch die Kombination dieser Technologie können präzise konstruierte Kühlkörper hergestellt werden, die die Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Produkte verbessern. Darüber hinaus kann es auch mit Strategien zur Oberflächenmodifizierung kombiniert werden, um katalytische Keramikgeräte mit komplexer Struktur und hervorragender katalytischer Aktivität und Stabilität herzustellen …

Freitragende, großflächige, komplex strukturierte Keramikbauteile, hergestellt mit Hilfe flexibler Hydrogel-Vorläufer

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Grenzen überwinden, viele Vorteile

Die Kombination aus flexiblen Keramikvorläufern auf Hydrogelbasis und 3D-Drucktechnologie überwindet die Einschränkungen herkömmlicher harter oder spröder Keramikvorläufer bei der Herstellung komplexer Keramikstrukturen und bietet zahlreiche Vorteile:

1. Mehr Freiheit bei Design und Funktionsintegration

Da der flexible Keramikvorläufer vor der Verfestigung eine gewisse Flexibilität aufweist, können komplexere Designs und Funktionen wie beispielsweise interne Kanäle, Wabenstrukturen oder Kombinationen mehrerer Materialien darin integriert werden. Durch 3D-Druck können komplexe, individuelle Keramikstrukturen bei gleichzeitig hoher Präzision hergestellt werden.

2. Optimierung der Materialleistung und kontrollierbarer Sinterprozess

Flexible Keramikvorläufer können während des Formungsprozesses eine gewisse Zähigkeit beibehalten, die Entstehung von Rissen und Defekten reduzieren und so eine hohe Festigkeit und Zähigkeit im endgültigen gesinterten Keramikmaterial erreichen; Durch die Anpassung der Kombination aus 3D-Druck und flexiblen Keramikvorläufern können Forscher den Sinterprozess des Materials präzise steuern und so die Mikrostruktur und Eigenschaften des Materials optimieren.

3. Innovationen in Fertigungstechnologie und Designmethoden

Durch die Kombination des Konzepts intelligenter Materialien können flexible Keramikvorläufer während des 3D-Druckprozesses unter bestimmten Bedingungen programmierbare Eigenschaften aufweisen, wodurch die endgültigen Keramikprodukte ein breiteres Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten erhalten. In Kombination mit der 3D-Drucktechnologie können flexible Keramikvorläufer zusammen mit anderen Materialien gedruckt werden, um eine Verbundstruktur aus mehreren Materialien zu bilden, die die hervorragenden Eigenschaften keramischer Materialien und die Funktionalität anderer Materialien in einer Komponente vereint.

4. Ausbau innovativer Anwendungsgebiete

Flexible Keramikvorläufer können in der Biomedizin und in elektronischen Geräten vielseitig eingesetzt werden. Beispielsweise verfügen Zahnimplantate und Knochenersatzmaterialien nur über die Biokompatibilität von Keramikmaterialien und können an die spezifischen Bedürfnisse der Patienten angepasst werden. Durch die Kombination von 3D-Druck und flexiblen Keramikvorläufern können leistungsstarke elektronische Geräte wie hochtemperaturbeständige Isolatoren, Sensorgehäuse usw. hergestellt werden. Diese Geräte müssen sowohl über eine hohe Präzision als auch über bestimmte elektrische Eigenschaften verfügen.

Insgesamt bietet die Kombination aus 3D-Druck und flexiblen Keramikvorläufern eine neue Möglichkeit zur Herstellung komplexer, leistungsstarker Keramikkomponenten und erweitert die Grenzen der Materialwissenschaft und Fertigungstechnologie.

Anwendung neuer Keramikstrukturen in dreidimensionalen Schaltkreisen, der Biomedizin und der funktionellen Katalyse

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Die Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie für flexible Hydrogel-Vorläufer wird nicht nur eine neue Herstellungsmethode für bestehende Keramikprodukte bieten, sondern auch die Anwendung keramischer Materialien in weiteren aufstrebenden Bereichen fördern. Die Entwicklung dieser Technologie wird auf Innovationen durch multidisziplinäre Zusammenarbeit beruhen, um letztendlich eine großflächige Förderung und industrielle Anwendung der Technologie zu erreichen.