STTR Phase I: Biomimetically Engineered Ceramics
STTR 第一阶段:仿生工程陶瓷
基本信息
- 批准号:1010312
- 负责人:
- 金额:$ 15万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2010
- 资助国家:美国
- 起止时间:2010-07-01 至 2011-06-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This Small Business Technology Transfer Phase I project seeks to develop biomimetic structures in engineering ceramics based on the damage-tolerant sea shell micro-architecture. Poor damage tolerance of engineering ceramics leads to catastrophic failure modes under stress, which restricts their structural utility. In extreme conditions, ceramics generally function only as a thermal or chemical barrier. Gains in damage tolerance have been made in select ceramics via transformation toughening, acicular grains, and engineered architectures such as Fibrous Monoliths (FMs). Significant further gains can be achieved by mimicking the micro-architecture of the Strombus Gigas (sea shell). The multiscale architecture of the sea shell will be replicated in a model engineering ceramic system comprised of silicon nitride and boron nitride by borrowing and significantly building on the techniques used in making FMs, including thermoplastic deformation and assembly. Modeling of crack propagation through these complex architectures will be performed to help guide the development of the process. The microstructural, mechanical, and thermal properties of the engineered ceramics will be characterized. This research will establish the viability of the proposed thermoplastic deformation/assembly techniques to engineer a third-order biomimetic ceramic material which is expected to have a work-of-fracture more than twice as large as a comparable FM.The broader impact/commercial potential of this project will be the development of highly damage-tolerant ceramics that will increase their utility in engineering applications and validate bio-inspired materials engineering. The biomimetic ceramics will improve on the damage tolerance of existing ceramic systems by a significant margin and therefore will be of great interest to many industries: manufacturing, military/aerospace, and medical. No comparable technology exists which combines the benefits of ceramics (low density, thermal stability, high hardness) without their disadvantages (poor damage tolerance). Ceramic- and metal-matrix composites offer better reliability than bulk ceramics, but are expensive and often fall short of design requirements. Ultra tough ceramics will produce better performance in medical implants, maintain American manufacturing leadership, and promote advanced vehicle technology. By creating materials which can meet both thermal and structural requirements, this technology will create more multi-functional ceramics. Additionally, this project will lead to a better understanding of crack propagation through damage-tolerant hierarchical structures. Finally, the project will involve undergraduate and graduate students at Villanova University, and key results of the research will be disseminated in multidisciplinary conferences and journals.
该小型企业技术转让第一阶段项目旨在开发基于耐损伤海贝微结构的工程陶瓷仿生结构。工程陶瓷的损伤容限较差,会导致在应力作用下出现灾难性的失效模式,从而限制了其结构实用性。 在极端条件下,陶瓷通常仅起到热屏障或化学屏障的作用。 通过相变增韧、针状晶粒和纤维整料 (FM) 等工程结构,精选陶瓷的损伤容限得到了提高。 通过模仿 Strombus Gigas(海贝壳)的微架构,可以获得进一步的显着收益。 海贝壳的多尺度结构将通过借用和显着构建 FM 制造技术(包括热塑性变形和组装),在由氮化硅和氮化硼组成的模型工程陶瓷系统中复制。 将通过这些复杂的结构对裂纹扩展进行建模,以帮助指导工艺的开发。将表征工程陶瓷的微观结构、机械和热性能。这项研究将确定所提出的热塑性变形/组装技术的可行性,以设计三阶仿生陶瓷材料,该材料的断裂功预计是同类 FM 的两倍以上。该项目更广泛的影响/商业潜力将是开发高耐损伤陶瓷,这将增加其在工程应用中的效用并验证仿生材料工程。 仿生陶瓷将大幅提高现有陶瓷系统的损伤容限,因此将引起许多行业的极大兴趣:制造、军事/航空航天和医疗。 目前还没有类似的技术能够将陶瓷的优点(低密度、热稳定性、高硬度)与陶瓷的缺点(损伤容限差)结合起来。 陶瓷基和金属基复合材料比块体陶瓷具有更好的可靠性,但价格昂贵且常常达不到设计要求。 超坚韧陶瓷将在医疗植入物方面产生更好的性能,保持美国制造业的领先地位,并促进先进的车辆技术。通过创造能够满足热和结构要求的材料,该技术将创造出更多多功能陶瓷。 此外,该项目将通过耐损伤分层结构更好地理解裂纹扩展。 最后,该项目将涉及维拉诺瓦大学的本科生和研究生,研究的主要成果将在多学科会议和期刊上传播。
项目成果
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专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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