Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Ceramika wytrzymała na naciski

Na przestrzeni ostatnich kilku dekad ceramika znalazła zastosowanie w praktycznie każdej dziedzinie, od inżynierii po biomedycynę, co przyniosło korzyści w postaci jej doskonałej twardości, izolacji elektrycznej i odporności na agresywne środowiska chemiczne lub termiczne. Rewolucyjne, odkształcalne kompozyty ceramiczne pokonały swoją ostatnią granicę – kruchość.

Technologie przemysłowe

Ludzie od tysięcy lat wykorzystują ceramikę i metale do wytwarzania różnych przedmiotów – od wazonów i narzędzi po elementy konstrukcyjne. Choć na ogół uważa się, że metale są bardziej wytrzymałe, a ceramika bardziej delikatna, materiały ceramiczne są w rzeczywistości bardzo twarde i wytrzymałe na ściskanie. Są one jednak też kruche, co oznacza, że nie ulegają łatwo odkształceniom i dlatego mogą dość nagle rozpaść się na kawałki. Metale natomiast są plastyczne i ciągliwe – można je formować do różnych kształtów bez ryzyka przerwania ich ciągłości. Finansowany ze środków UE projekt SISCERA zniwelował różnicę pomiędzy tymi dwoma typami materiałów, wprowadzając na rynek pierwszy na świecie materiał ceramiczny o przewidywalnej plastyczności pod wpływem przekształcania.

Znajomość granic

Krytyczne wady powstałe na etapie produkcji w losowych punktach ceramiki nadają jej kruchość, która sprzyja jej rozbiciu. Korzyści płynące ze stosowania ceramiki są często równoważone potrzebą ograniczenia obecności wad poprzez kosztowne i czasochłonne procedury produkcji i testowania. W przypadku kompozytów ceramicznych SISCERA zminimalizowano występowanie wad i zwiększono możliwości ich przewidywania. Koordynator projektu SISCERA Nicolas Courtois z firmy Anthogyr wyjaśnia: „Wyjątkowość naszych kompozytów ceramicznych polega na tym, że przy określonym i regulowanym poziomie nacisku mogą poddawać się znacznym odkształceniom, nie ulegając rozbiciu. Ponadto ich rozbicie nie wiąże się z wadami, co pozwala na stosowanie konwencjonalnych metod projektowania i przetwarzania, tym samym upraszczając ich przyjęcie przez projektantów, jednocześnie zwiększając wartość dodaną ceramiki. Nasze innowacyjne kompozyty ceramiczne łączą w sobie zalety metali z zaletami ceramiki, takimi jak stabilność chemiczna, obojętność oraz odporność na ścieranie i zużycie”. Oznacza to, że mogą one stanowić atrakcyjną alternatywę dla metali w wielu zastosowaniach inżynieryjnych.

Od kości po przemysł i wyroby konsumpcyjne

Jérôme Chevalier, zastępca dyrektora ds. badań w instytucie INSA w Lyonie, odpowiedzialny za zdrowie i bioinżynierię, mówi: „Na początku projektu, by sprostać nowym oczekiwaniom projektowym, musieliśmy rozpocząć na nowo prace rozwojowe. Dzięki temu początkowemu wyzwaniu stworzyliśmy portfel materiałów, które można dostosowywać do konkretnego zastosowania, a nie stanowiących pojedyncze rozwiązanie, jak planowaliśmy na początku”. Pierwotnym rynkiem, który obrał za cel zespół projektu SISCERA, był rynek implantów biomedycznych, który wykorzystuje wzrost kości (osteointegrację), np. w przypadku implantów stomatologicznych i stawowych. Zespół zastosował racjonalne podejście „materiału w fazie projektowania”, aby spełnić specyficzne wymagania stawiane implantom stomatologicznym, takie jak wytrzymałość, twardość, stabilność i modyfikacja powierzchni. Ceramika wykazuje zwiększoną osteointegrację. Wyniki wykazały, że połączenie materiału i modyfikacji powierzchni sprawdza się lepiej niż obecnie stosowane powierzchnie implantów tytanowych, co pozwala implantom na szybsze uzyskanie lepszej przyczepności do kości – dwa razy silniejszej w przeciągu czterech tygodni. Implant stomatologiczny wszedł teraz w fazę walidacji przedklinicznej. Według Courtoisa i Chevaliera wciąż jeszcze nie odkryto wielu innych zastosowań tych unikalnych materiałów. „Pod sam koniec projektu wykazaliśmy, że przekształcanie plastyczne jest procesem odwracalnym. Otrzymaliśmy zatem ceramiczny materiał z pamięcią kształtu”, dodają. Jeden kompozyt ceramiczny jest już dostępny do użytku przemysłowego, a obecnie testowane jest jego potencjalne zastosowanie na dużą skalę w wyrobach konsumpcyjnych. Te rewolucyjne kompozyty ceramiczne, które podlegają znacznym odkształceniom, nie ulegając uszkodzeniu, będą przełomowe w zastosowaniach rozciągających się od biomedycyny po inżynierię.

Słowa kluczowe

SISCERA, ceramika, metale, kompozyty, implant stomatologiczny, osteointegracja, kruchość, odkształcalny, pamięć kształtu, plastyczność

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania