|
|
Mechanical Reinforcement of Bioglass®-Based Scaffolds
Bertolla, Luca ; Prof. Dr.-Ing. habil. Aldo R. Boccaccini (oponent) ; Kotoul, Michal (oponent) ; Pabst, Willi (oponent) ; Dlouhý, Ivo (vedoucí práce)
Bioactive glasses exhibit unique characteristics as a material for bone tissue engineering. Unfortunately, their extensive application for the repair of load-bearing bone defects is still limited by low mechanical strength and fracture toughness. The main aim of this work was two-fold: the reinforcement of brittle Bioglass®-based porous scaffolds and the production of bulk Bioglass® samples exhibiting enhanced mechanical properties. For the first task, scaffolds were coated by composite coating constituted by polyvinyl alcohol (PVA) and microfibrillated cellulose (MFC). The addition of PVA/MFC coating led to a 10 fold increase of compressive strength and a 20 fold increase of tensile strength in comparison with non-coated scaffolds. SEM observations of broken struts surfaces proved the reinforcing and toughening mechanism of the composite coating which was ascribed to crack bridging and fracture of cellulose fibrils. The mechanical properties of the coating material were investigated by tensile testing of PVA/MFC stand–alone specimens. The stirring time of the PVA/MFC solution came out as a crucial parameter in order to achieve a more homogeneous dispersion of the fibres and consequently enhanced strength and stiffness. Numerical simulation of a PVA coated Bioglass® strut revealed the infiltration depth of the coating until the crack tip as the most effective criterion for the struts strengthening. Contact angle and linear viscosity measurements of PVA/MFC solutions showed that MFC causes a reduction in contact angle and a drastic increase in viscosity, indicating that a balance between these opposing effects must be achieved. Concerning the production of bulk samples, conventional furnace and spark plasma sintering technique was used. Spark plasma sintering performed without the assistance of mechanical pressure and at heating rates ranging from 100 to 300°C /min led to a material having density close to theoretical one and fracture toughness nearly 4 times higher in comparison with conventional sintering. Fractographic analysis revealed the crack deflection as the main toughening mechanisms acting in the bulk Bioglass®. Time–dependent crack healing process was also observed. The further investigation on the non-equilibrium phases crystallized is required. All obtained results are discussed in detail and general recommendations for scaffolds with enhanced mechanical resistance are served.
|
|
|
Mechanical Reinforcement of Bioglass®-Based Scaffolds
Bertolla, Luca ; Prof. Dr.-Ing. habil. Aldo R. Boccaccini (oponent) ; Kotoul, Michal (oponent) ; Pabst, Willi (oponent) ; Dlouhý, Ivo (vedoucí práce)
Bioactive glasses exhibit unique characteristics as a material for bone tissue engineering. Unfortunately, their extensive application for the repair of load-bearing bone defects is still limited by low mechanical strength and fracture toughness. The main aim of this work was two-fold: the reinforcement of brittle Bioglass®-based porous scaffolds and the production of bulk Bioglass® samples exhibiting enhanced mechanical properties. For the first task, scaffolds were coated by composite coating constituted by polyvinyl alcohol (PVA) and microfibrillated cellulose (MFC). The addition of PVA/MFC coating led to a 10 fold increase of compressive strength and a 20 fold increase of tensile strength in comparison with non-coated scaffolds. SEM observations of broken struts surfaces proved the reinforcing and toughening mechanism of the composite coating which was ascribed to crack bridging and fracture of cellulose fibrils. The mechanical properties of the coating material were investigated by tensile testing of PVA/MFC stand–alone specimens. The stirring time of the PVA/MFC solution came out as a crucial parameter in order to achieve a more homogeneous dispersion of the fibres and consequently enhanced strength and stiffness. Numerical simulation of a PVA coated Bioglass® strut revealed the infiltration depth of the coating until the crack tip as the most effective criterion for the struts strengthening. Contact angle and linear viscosity measurements of PVA/MFC solutions showed that MFC causes a reduction in contact angle and a drastic increase in viscosity, indicating that a balance between these opposing effects must be achieved. Concerning the production of bulk samples, conventional furnace and spark plasma sintering technique was used. Spark plasma sintering performed without the assistance of mechanical pressure and at heating rates ranging from 100 to 300°C /min led to a material having density close to theoretical one and fracture toughness nearly 4 times higher in comparison with conventional sintering. Fractographic analysis revealed the crack deflection as the main toughening mechanisms acting in the bulk Bioglass®. Time–dependent crack healing process was also observed. The further investigation on the non-equilibrium phases crystallized is required. All obtained results are discussed in detail and general recommendations for scaffolds with enhanced mechanical resistance are served.
|
|
|
Kvantifikace zvyšování houževnatosti kompozitů typu sklená matrice/korundové destičky
Kotoul, M. ; Pokluda, J. ; Šandera, P. ; Dlouhý, Ivo ; Chlup, Zdeněk ; Boccaccini, A. R.
Zhouževnaťující mechanismy probíhající na čele trhliny byly studovány na kompozitu s borosilikátovou matricí vyztuženou korundovými destičkami. Lomová houževnatost byla určena pomocí metody chevronového vrubu. Faktografická analýza byla využita k identifikaci zhouževnaťujících mechanismů u kompozitů s různým podílem výztuže. Parametry drsnosti povrchu byly sledovány s cílem najít relaci mezi vzniklým lomovým povrchem a lomovou houževnatostí. Teoretické výpočty lomové houževnatosti založené na modelu odklonu trhlin byly kombinovány s vlivem modulu pružnosti a byli v dobrém souladu s experimentálními výsledky. Použitý model byl dále rozšířen tak, aby zachycoval synergii odklonu trhliny se zbytkovým pnutím.
|
|
|
Lomová houževnatost a mikromechanismy lomu vláknových kompozitů s křehkou matricí
Dlouhý, Ivo ; Chlup, Zdeněk ; Boccaccini, A. R.
Určování lomové houževnatosti monolitických keramik za použití ohybových vzorků s rovným vrubem nebo vrubem typu chevron je považováno za standardní techniku. V případě kompozitních materiálů, zejména kompozitů tvořených křehkou matricí vyztuženou dlouhými vlákny s rostoucí délkou trhliny vzrůstá odpor materiálu proti šíření trhliny. Dlouhá vlákna stimulují delaminaci podél jejich rozhraní s matricí a porušení se tak šíří kolmo k magistrální trhlině. Hodnocení lomové houževnatosti je v těchto případech velmi obtížné. Technika založená na ohybových vzorcích s vrubem typu chevron se jeví jako jediná, která umožňuje získat exaktní charakteristiku lomového chování díky přirozené schopnosti vrubu podržet trhlinu v módu I. Na základě fraktografických hodnocení a porovnání dat získaných ze vzorků s rovným vrubem a vrubem typu chevron jsou v příspěvku poskytnuty odpovídající důkazy pro toto tvrzení.
|
|
|
Lomové chování kompozitů s křehkou matricí vyztuženou vlákny
Chlup, Zdeněk ; Dlouhý, Ivo ; Boccaccini, A. R. ; Chawla, K. K.
Možnosti zvyšování odolnosti vůči lomu kompozitů s křehkou matricí zavedením dlouhých křehkých vláken jsou dostatečně známy. Pro další rozvoj aplikací této skupiny kompozitů je klíčová znalost skutečné odezvy komponent tvořících kompozit při mechanickém zatěžování za přítomnosti ostrých defektů. V článku jsou sumarizovány teoretické a experimentální poznatky získané studiem kompozitů s křehkými vlákny. Studie je orientována na borosilikátové sklo s dlouhými vlákny SiC (Nicalon) a tatáž matrice se sekanými uhlíkovými a Nicalon vlákny doplněná disperzí částic ZrO2 (hybridní komposit). Pro určování lomové houževnatosti byla použita technika ohybových vzorků s vruby typu chevron. U výchozích stavů byla konstatována úroveň houževnatosti mnohonásobně převyšující houževnatost matrice a řady dalších kompozitů s touto matricí. U stavů po tepelné zátěži (tepelné stárnutí a cyklování) byl na základě údajů o lomové houževnatosti a analýze lomového chování diskutován rozvoj poškození
|
|
|
Lomové chování kompozitů s křehkou (skelnou) matricí
Dlouhý, Ivo ; Chlup, Zdeněk ; Boccaccini, A. R.
Existuje řada příkladů, které ukazují potenciál pro zvyšování houževnatosti křehké matrice dispersí různých vyztužujících fází. Pro další vývoj těchto pokrokových materiálů je nezbytná znalost jejich odezvy na mechanické zatěžování za přítomnosti trhlin. V přednášce jsou sumarizovány teoretické a experimentální poznatky získané na různých typech kompozitů s křehkou matricí. Studovány byly kompozity se skelnou matrici vyztužené kovovými částicemi, korundovými destičkami, dlouhými vlákny Nicalon, dále se sekanými vlákny a částicemi ZrO2 (hybridní kompozit). Všechny kompozity byly studovány nejen v dodaném stavu, ale rovněž ve stavu po tepelné expozici, příp. po tepelných šocích aplikovaných v souladu s předpokládanými aplikacemi kompozitu. Pro hodnocení lomové houževnatosti byla použita hlavně technika založená na vzorcích s vruby typu chevron. Poškození kompozitů bylo analyzováno na základě studia mikromechanismů porušování
|
host ::
RSS.