نانوکامپوزیت های گرافن-آلومینا با خواص مکانیکی تقویت شده (مقاله ترجمه شده)

چکیدهمقاله حاضر مطالعه در زمینه کامپوزیت های سرامیکی آلومینا (Al2O3) تقویت شده با صفحات گرافنی (GPL) و ارتباط بین بارگذاری GPL و هر دو خواص مکانیکی و زیست سازگاری در شرایط آزمایشگاهی را ارائه می دهد. پودر Al2O3 با مقادیر مختلف GPL با استفاده از یک کوره بدون فشار محافظت شده از گاز تهیه و ساخته شد. بررسی نتایج نشان می دهد چگالی کامپوزیت ها از 99.2 تا 95.6 با بارگذاری GPL از 0.75 تا 1.48٪ حجمی متفاوت است. مطالعات رامان نشان می دهد كه تراكم های متوسط GPLدر طی فرآیند آسیاکاری گلوله ای رخ می دهد و نقص های گرافیتی در طی فرآیند دما بالا ایجاد می شود. خواص مکانیکی زمینه Al2O3 با افزودن GPL به میزان قابل توجهی بهبود می یابد. حداکثر افزایش تقریبا 60٪ استحکام خمشی و 70٪ چقرمگی شکست با معرفی 0.75 % کسر حجمی GPL حاصل می شود. در آزمایشات زیست سازگاری مشخص شد که سلول هایی که به طور مستقیم بالای نمونه های GPL / Al2O3 کشت می شوند، اتصال اولیه (3 ساعت بعد از کشت) و قابلیت زنده ماندن (3 روز پس از انکوباسیون ) بهتری نسبت به Al2O3 یکپارچه نشان دادند، که نشان دهنده زیست سازگاری قابل مثایسه یا مطلوب تر کامپوزیت های GPL / Al2O3 است. خواص مکانیکی و زیستی عالی کامپوزیت های GPL / Al2O3 ممکن است این امکان را برای استفاده در طیف گسترده ای از کاربردهای مهندسی و زیست پزشکی فراهم کند.مقدمهسرامیک ها به دلیل خواص مکانیکی و زیست سازگاری برتر، برای دهه ها به عنوان مواد بیولوژیکی کاربرد داشته اند. علاوه بر این، سرامیک از نظر بالینی در اجزای استخوان پروتزهای مفصل زانو و پروتزهای مفصل مچ پا استفاده می شود ]1-2[. در سایر زمینه های پزشکی، سرامیک به عنوان استخوان مصنوعی برای ترمیم جمجمه، نقص استخوان مدور و به عنوان کاشت دندان و ایمپلنت استفاده می شود ]3-7[. با وجود استفاده گسترده، کاربردهای بیشتر سرامیک به دلیل شکنندگی ذاتی آن ها به طور جدی محدود می شود. در چند دهه گذشته، تلاش زیادی شده تا سختی سرامیک ها با استفاده از ساختارهای میکرو و نانو به عنوان تقویت کننده بهبود یابد. این روش ها شامل ارائه مرزدانه های ذاتی اضافی یا سطوح بیرونی که نابجایی-حرکت و مسیرهای طولانی اشاعه ترک را منع می کند، است.گرافن در سال های اخیر مورد توجه جهانی قرار گرفته است. خواص الکتریکی و مکانیکی عالی، آن را برای بسیاری از کاربردها مناسب می کند ]11[. در مقایسه با گرافن های تک لایه، صفحات گرافن (GPL) گرافن های انباشته-شده با ضخامت تقریبا 100 نانومتر ساخته شده است]12[. مدول یانگ GPL با ضخامت 2 -8 نانومتر تقریباً 0.5 تراپاسکال گزارش شده است ]13[ ، بالاتر از بسیاری از سرامیک ها است. ترکیب کامپوزیت های مشابه سرامیکی تقویت شده با میکرو الیاف، ترکیب GPL در زمینه های سرامیکی انتظار می رود منجر به بهبود قابل توجه استحکام و چقرمگی شود. با این حال، اثربخشی در مقالات گزارش شده متفاوت است. پيشنهاد مي شود كه براي استفاده از پتانسيل كامل گرافن براي بهبود ويژگي هاي مكانيكي سراميك ها ]12،14-15[ ، بايد سه عامل در فرآيند ساخت به دقت مورد توجه قرار گيرد. آنها عبارتند از: الف) پراکندگی همگن GPLها در زمینه برای جلوگیری از تراکم GPLهای ناشی از نیروهای واندروالس. ب) تراکم کامل کامپوزیت ها. ج) حفظ ساختار گرافیت در طی فرآیند دما بالا. از آنجا که تراکم GPLs منبع ترک و علت تخریب خواص مکانیکی است، مسیرهای آماده سازی برای تولید پودرهای کامپوزیت GPLs / سرامیک برای اطمینان از عملکرد عالی کامپوزیت های سینتر شده بسیار مهم است. در حال حاضر ، انواع روش های آماده سازی مانند مخلوط کردن پودر معمولی، کلوئیدی و اختلاط مولکولی اتخاذ شده تا یک توزیع همگن از GPL ها در پودر سرامیک ایجاد شود. در بین آنها، مخلوط کردن پودر کارآمدترین روش و مقیاس آسان برای تولید در حجم گسترده است. به طور خاص، ثابت شده که وقتی Dimethylformamide یا N-methylformamide (NMP) به عنوان حلال استفاده شود، می توان یک پراکندگی همگن از GPLها با ضخامت نسبتاً کمی در مخلوط های پودری بدست آورد. یکی دیگر از فاکتورهای مهم حفظ GPLها در هنگام چگالش کامپوزیت ها است. به این ترتیب پیوند خوبی بین GPLs و زمینه برقرار شده و استحکام بالا می تواند حفظ شود، که انتقال بار را در فصل مشترک بین GPLها و زمینه تسهیل و بازده تقویتی و چقرمگی خوبی را ارائه می دهد.روش آزمایشمواد اولیهدر این مطالعه از پودر α-Al2O3 (85/%99، 150 نانومتر ، مواد پیشرفته Inframat ، فارمینگتون، CT ، ایالات متحده) استفاده شد. تصاویر SEM، Al2O3 در شکل 1a ارائه شده است. GPL از گرافن صنعتی منچستر، انگلستان تهیه شده است. تصاویر SEM از GPLهای به دست آمده در شکل 1b و 1c نشان داده شده است. یک رویکرد کلی برای تولیدGPL از طریق انبساط حرارتی سریع / لایه برداری از گرافیت است که با استفاده از اسید سولفوریک جابجا شده است. صفحات حاصل، ورق های گرافن انباشته به ضخامت 6-8 نانومتر و قطر 15-25 میکرومتر هستند.نتایج و بحثتأثیر محتوای GPL بر ریزساختارها و خواص مکانیکی کامپوزیت های GPL / Al2O3محتوای GPL در کامپوزیت های سینتر شدهنتایج آزمایشات TGA در شکل S2 نشان داده شده است. مشخص شده که کامپوزیت های سینتر شده GPL / Al2O3 به ترتیب 0.4 ، 0.69 و 0.79 درصد وزنی٪ GPL دارند و درصد حجم مربوط به GPLها در کامپوزیت های سینتر شده 0.75 ، 1.3 و 1.48 درصد حجمی که پایین تر از مقدار اسمی GPLs در کامپوزیت ها هستند را نشان می دهد. بخشی از GPLها در طی فرآیند پخت درجه حرارت بالا مصرف می شوند.نتیجه گیریدر این مطالعه، کامپوزیت های GPL / Al2O3 با استفاده از یک فرآیند سینترینگ بدون فشار به طور موفقیت-آمیزی ساخته شدند. افزودن جزئی GPLها نشان می دهد که می تواند به طور موثری باعث بهبود چقرمگی شکست و همچنین استحکام خمشی سرامیک های Al2O3 شود. مکانیسم چقرمه شدن و فعل و انفعال قوی بین GPLها و زمینه به عنوان دلایل بهبود در نظر گرفته می شوند. نتایج XRD و رامان نشان می دهد که هیچ محصول واکنشی قابل ردیابی در کامپوزیت های GPL / Al2O3 پس از سینترینگ و نقص گرافیتی در GPLها که طی پردازش دما بالا تولید شدند، یافت نشد. آزمایشات MTT نشان می دهد که سرامیک GPL / Al2O3 دارای زیست سازگاری قابل مقایسه یا مطلوب تری نسبت به استئوبلاست ها است. با این حال ، آزمایش های چسبندگی سلولی با سلول های بنیادی نشانگر موارد دیگری است که احتمالا در اثر منافذ و لبه های GPL قرار گرفته در معرض سلول ها ایجاد می شوند، که منجر به نارسایی سلول ها شده در حالی که GPLهای با سطوح مسطح می توانند گسترش و تکثیر سلول ها را تسهیل کنند. از دیگر عوامل مؤثر بر فعل و انفعال بین سلول های بنیادی و سرامیک ها می توان به مورفولوژی سطح، تخلخل، زاویه تماس با محیط سلولی و شیمی سطح، تجمع بار و اندازه دانه سرامیک اشاره کرد.این مقاله در سال 2015 در نشریه ACS و در مجله مواد و رابط های کاربردی (ACS)، توسط مرکز تحقیقات مهندسی زیست پزشکی و میکرو / نانوتکنولوژی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله نانوکامپوزیت های گرافن-آلومینا با خواص مکانیکی تقویت شده در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.