Wie Defekte die Rissbildung in 3D-gedruckten Nano-Keramiken beeinflussen

3D-gedruckte keramische Metamaterialien mit Nano-Architektur entwickeln sich derzeit zu einer Klasse von Leichtbaumaterialien mit außergewöhnlicher Festigkeit und Steifigkeit. Ihre praktische Anwendung wird jedoch durch den Mangel an Wissen über ihre mechanische Zuverlässigkeit behindert. Ein mikroskopischer, von der Universität Roma TRE entwickelter Test der Bruchzähigkeit kann nun Aufschluss geben.

Mit dem Micropillar-Splitting-Verfahren kann die Wechselwirkung zwischen einem induzierten Riss und kleinsten Defekten auch für 3D-gedruckte, nanostrukturierte Keramiken sichtbar gemacht werden. Bildquelle: Scripta Materialia / Creative Commons license

Bruchfestigkeit von Keramiken in Mikrodimensionen ermitteln

Eigenschaften wie die Bruchfestigkeit und ihre Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen sind für neue Keramiken oft unbekannt und können auch stark vom Herstellprozess abhängen. Eine aktuelle Studie wendet nun eine neue Methode zur Messung der Bruchzähigkeit, des Elastizitätsmoduls und der Härte von 3D-gedruckten Nano-Keramiken, die sogenannte micropillar splitting-Methode. Dabei wird die Diamantspitze eines Nanoindenters dazu benutzt, um speziell präparierte Mikrosäulen zu spalten. Aus der Kraft, bei der dies passiert, lässt sich die Bruchzähigkeit k_c ermitteln.

Die Autoren zeigen, dass pyrolytischer Kohlenstoff, der im funktionellen 3D-Druck mittels Zwei-Photonen-Polymerisation gewonnen wurde, eine verbesserte Bruchzähigkeit gegenüber makroskopischen Formen von glasartigem Kohlenstoff erreicht, mit Werten bis zu k_c = 3.1 MPa m^0.5. Experimente bei unterschiedlichen Feuchtegraden zeigen jedoch, dass nur wenige, nanometergrosse Oberflächenhohlräume eine Versprödung durch Flüssigkeitsdiffusion hervorrufen können, was eine frühere Rissausbreitung fördert. Während vergleichbare Effekte bei Keramiken in Makrogrösse weniger relevant sind, zeigt diese Studie, dass die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von keramischen Metamaterialien und Bauelementen mit Mikro- und Nanoarchitektur Zähigkeitsdesign-Ansätze erfordert, die sich auf grössenabhängige Oberflächeneffekte konzentrieren.

Repräsentative REM-Aufnahmen von Mikro-Säulen aus pyrolytischem Kohlenstoff (a) ohne und (b) mit sichtbaren Oberflächenfehlern. (c) zeigt einen transmissions-elektronenmikroskopischen (STEM-) Querschnitt aus der defektfreien Säulenmitte. Bildquelle: Scripta Materialia / Creative Commons license

Kleinste Materialdefekte können die Empfindlichkeit auf Umwelteinflüsse erhöhen

Die Studie zeigte, dass die Bruchzähigkeit in additiv gefertigten Nano-Keramiken im Gegensatz zu makroskopischen Keramiken eine oberflächendominierte Eigenschaft ist, bei der verarbeitungsbedingte Kavitäten und Nanoporosität einen dominierenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer haben können. Unterschiedliche Feuchtebedingungen stellen eine allgegenwärtige Randbedingung für nahezu jede Anwendung dar. Folglich muss das Design von zähigkeitssteigernden Materialien in mikro- und nanostrukturierten Metamaterialien und Bauteilen einen starken Fokus auf Oberflächeneffekte wie die gefundene Kapillarversprödung haben. Der beobachtete Feuchtigkeitseffekt kann einen bemerkenswerten Einfluss auf die Skalierung solcher architektonischer Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen haben, insbesondere in den Bereichen Biomedizin und Mikrofluidik.

(MMo / nano.swiss)

Originalpublikation:

Humidity-dependent flaw sensitivity in the crack propagation resistance of 3D-printed nano-ceramics, E. Rossi, J. Bauer and M. Sebastiani, Scripta Mater. 194, 113684 (2021), https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113684