对3D打印施瓦茨涂层或未涂层薄聚合物的压缩试验表明，聚合物如何防止陶瓷破碎。这些材料可以用于任何非常坚固但轻巧的材料。资料来源： Ajayan Research Group / Rice University

赖斯大学的材料科学家说，薄薄的柔软聚合物外壳可以帮助防止粗糙的陶瓷结构破碎。

用3D打印机制作的陶瓷像任何盘子或碗一样在压力下开裂。但覆盖在紫外线固化的柔软聚合物中，同样的材料更有可能保持其结构完整性，就像汽车挡风玻璃处理过的玻璃不太可能破碎一样。

赖斯布朗工程学院(School of Engineering)的这项研究发表在《科学进步》(Science Advances)上，它展示了施瓦茨晶格的概念。施瓦茨晶格是一种复杂的晶格，几十年来只是作为理论存在，但现在可以用3D打印机制造。随着聚合物的加入，它们变得类似于自然界中发现的结构，比如贝壳和骨头，它们由生物聚合物基质中硬化的血小板组成。

施瓦茨（Schwarzites）以德国科学家赫尔曼·施瓦茨（Hermann Schwarz）的名字命名，他在19世纪80年代假设"负弯曲"结构可以用于任何需要非常坚固但轻巧的材料的地方，从电池到骨头再到建筑物。

由水稻材料科学家普利克尔·阿贾扬和Muhammad Rahman以及研究生和主要作者Seyed Mohammad Sajadi领导的研究人员通过实验和模拟证明，不超过100微米厚的聚合物涂层将使脆弱的Schwarzite抵抗灾难性骨折的能力提高4.5倍。

这些结构在压力下仍可能开裂，但不会破裂。

"我们清楚地看到，没有涂层的结构非常脆弱， " Rice的研究科学家拉赫曼说。 "但当我们将涂层结构置于压缩之下时，它们会承受载荷，直到完全破裂。有趣的是，即使这样，它们也不会完全破碎。它们仍然像层压玻璃一样封闭。 "

该团队与匈牙利、加拿大和印度的成员一起创建了这些结构的计算机模型，并用聚合陶瓷"墨水"打印出来。这些陶瓷在打印机中的紫外线照射下迅速固化，然后浸入聚合物中，再固化。

与未涂层的控制单元一起，复杂的块被施加高压。控制施瓦茨岩石如预期的那样破碎，但聚合物涂层防止裂纹在其他部分传播，使结构保持其形状。

研究人员还比较了施瓦茨和涂层固体陶瓷，发现多孔结构本质上更坚硬。

Sajadi说： "建筑肯定有一定的作用。 "我们看到，如果我们涂上固体结构，聚合物的效果就不会像施瓦茨石那样有效。 "

Ajayan说，涂层的作用有点像他们模仿的天然材料，因为聚合物注入陶瓷中的缺陷，提高了它们的电阻。

Rahman说，聚合物增强的神经酰胺可以使一些结构应用受益。它们的生物相容性最终也可以使它们适合于修复术。

拉赫曼说： "我很确定，如果我们能够优化这些结构，它们也显示出作为生物支架使用的良好前景。 "

由赖斯大学