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Materials Engineering

Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften

Overview

Quelle: Sina Shahbazmohamadi und Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT

Knochen sind Verbundwerkstoffe aus keramikmatrix und Polymerfaserverstärkungen. Die Keramik trägt zur Druckfestigkeit bei, und das Polymer sorgt für Zug- und Biegefestigkeit. Durch die Kombination von Keramik- und Polymermaterialien in unterschiedlichen Mengen kann der Körper einzigartige Materialien erstellen, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind. Als biomedizinische Ingenieure ist die Fähigkeit, Knochen aufgrund von Krankheiten oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren, eine wichtige Facette der medizinischen Wissenschaft.

In diesem Experiment werden wir drei verschiedene Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe mit von Paris (das ist eine Calciumsulfat-Verbindung) erstellen und ihnen erlauben, drei-Punkt-Biegetest zu unterziehen, um festzustellen, welche Zubereitung die stärkste ist. Die drei Verbundwerkstoffe sind wie folgt: eine besteht nur aus von Paris, eine mit gehackten Glasscherben in einer Gipsmatrix gemischt und schließlich eine Gipsmatrix mit einem Glasfasernetz darin eingebettet.

Principles

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Wenn ein bestimmtes Material getestet werden muss, ist eine der wichtigsten Methoden zur Prüfung der Festigkeit weniger duktiler Materialien ein Dreipunkt-Biegetest. Der Dreipunkt-Biegetest ist eine Methode, die es einer bestimmten Probe ermöglicht, eine Kombination von Kräften (Kompressiv und Zug) sowie eine Ebene der Scherspannung in der Mitte des Materials zu erleben, die für die meisten Kräfte repräsentativ ist, die menschliche Knochen konsistent sind. ausgesetzt sind. Mit den Ergebnissen dieses Experiments kann ein besseres Verständnis von Verbundwerkstoffen erreicht werden, zusammen mit dem Umfang und den Einschränkungen dieser Biomaterialien.

Im 3-Punkt-Biegetest befindet sich der Boden der Probe in Spannung, die Oberseite in Kompression und in der Mitte der Probe befindet sich eine Scherebene (Abbildung 1).

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung des 3-Punkt-Biegetests.

Lebende Knochen können sich umbauen und umstrukturieren, um diesen Kräften gerecht zu werden. Zum Beispiel gibt es in Rippenknochen eine hohe Konzentration von Mineralphasen auf der Innenseite der Kurve (wo es Druckkräfte gibt) und eine hohe Konzentration von Kollagenfasern an der Außenseite der Kurve (wo es Zugkräfte gibt).

Die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs basieren auf den Eigenschaften seiner Matrix- und Füllmaterialien. Mehrere Formeln wurden entwickelt, um die Gesamtstärke und den Modul eines Komposit als Funktion des Typs und der Menge der Füllstoffe zu berechnen. Die einfachste davon ist die "Regel der Mischungen", die den maximalen theoretischen Wert der betreffenden Eigenschaft angibt. Die Regel der Mischungen für Die Biegefestigkeit ist unten angegeben:

comp = mm m + 1V1 +2V2 + ... (1)

Wo:

comp = maximale theoretische Festigkeit des Verbunds

m = Stärke der Matrix

1, 2 ... = Stärken der Füllstoffe 1, 2 usw.

Vm, V1, V2,.. = Volumenfraktionen der Matrix und Füllstoffe.

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Procedure

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1. Eine einfache Gipsprobe

  1. Erhalten Sie eine blaue Gummiform vom Instruktor. Jede Form kann 3 bar-förmige Proben machen, die Größe der einzelnen Bar ist etwa 26 mm in der Breite, 43 mm in der Länge, und 10 mm in der Dicke.
  2. Wiegen Sie 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Papierbecher. 20 ml entionisiertes Wasser langsam hinzufügen und die Gülle mit einem Holzstab rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist. Fahren Sie sofort mit Schritt 3 fort! Der Putz beginnt in 5 Minuten zu verhärten.
  3. Gießen Sie die resultierende Gülle in eines der Fächer der Form. Füllen Sie die Form vollständig, und glätten Sie es mit dem Holzstab. Werfen Sie den Becher und alle überschüssigen Gips; halten Sie den Stick für die zukünftige Verwendung.

2. Herstellung von zwei zusammengesetzten Proben

  1. Bereiten Sie die Probe mit gehackter Faserverstärkung vor:
    a.) Wiegen Sie 4 Gramm gehackte Glasfasern in einen Papierbecher.
    b.) Wiegen Sie 40 Gramm Gipspulver in den gleichen Becher.
    c.) Langsam 20 ml entionisiertes Wasser hinzufügen und die Gülle mit dem Holzstab rühren, bis die Fasern gründlich eingemischt werden und eine glatte Konsistenz erreicht wird.
    d.) Gießen Sie die Gülle in eines der Formfächer. Füllen Sie die Form vollständig, und glätten Sie es mit dem Holzstab.
  2. Bereiten Sie die Probe mit Glasfaserband vor:
    a.) Schneiden Sie 2 Streifen Glasfaserband, ca. 5 Zoll lang. Wiegen Sie die Streifen.
    b.) Wiegen Sie 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Papierbecher. 20 ml entionisiertes Wasser langsam hinzufügen und die Gülle rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist.
    c.) Gießen Sie etwa ein Drittel des Putzes in die Form. Legen Sie einen Streifen Glasfaserband auf den Putz und drücken Sie ihn mit dem Holzstab nach unten. Stellen Sie sicher, dass der Putz das Fiberglasband gründlich benetzt.
    d.) Gießen Sie etwa die Hälfte des restlichen Putzes auf das Glasfaserband. Legen Sie den zweiten Bandstreifen auf den Putz und drücken Sie ihn mit dem Holzstab nach unten.
    e.) Gießen Sie den Rest des Putzes auf den zweiten Streifen, und drücken Sie ihn mit dem Holzstab nach unten. Stellen Sie sicher, dass der Putz das Glasfaserband gründlich benetzt, und drücken Sie alle Luftblasen aus.

3. Durchführung von Experimenten

  1. Messen Sie die durchschnittliche Länge, Dicke und Breite jedes Balkens Measure L (Spannlänge in der Abbildung unten) auf der 3-Punkt-Prüfvorrichtung, verwenden Sie kalibrierte Bremssättel für die Messung.
  2. Verwenden Sie für alle Tests eine Verdrängungsgeschwindigkeit von 5 mm/min. (Das UTM sollte dann mit einer Verdrängungsgeschwindigkeit von 5mm/min auf Null gesetzt und initiiert werden). Führen Sie den Test für den einfachen Putz und die gehackte Faserprobe aus, bis die Probe fehlschlägt. Führen Sie für die Fiberglasbandprobe den Test aus, bis die Durchbiegung 6 mm beträgt.
  3. Verwenden Sie das LabVIEW-Programm auf dem Computer, um die Daten aus jedem Test in einer Textdatei zu sammeln.

4. MATLAB Programm

  1. Erstellen Sie ein MATLAB-Programm, das Folgendes tut:
  2. Lesen Sie eine einzelne Spaltentextdatei und trennen Sie die Messwerte in Kraft und die Umleitungsdaten. Konvertieren Sie die Rohdaten in Kraft und Umlenkung mit den folgenden Umrechnungsfaktoren:
    Kraft = (Load Cell Maximum Value / 30000) * Zahl generiert durch UTM (2)
    Durchbiegung = 0,001 mm * Anzahl generiert durch UTM (3)
  3. Berechnen Sie die Biegefestigkeit und den Biegestamm jeder Probe:
    Biegefestigkeit f = (3FL)/(2wt2) (4)
    Biegedehnung f = (6Dt)/(L2) (5)
  4. Zeichnen Sie eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für jede Probe. Lassen Siedie horizontale Achse undf die vertikale Achse sein.
  5. Suchen Sie die maximalen Werte für die Wertef undf für jede Probe. Wählen Sie für die zusammengesetzten Samples denWert f aus, der dem maximalen Wertvon f entspricht.
  6. Finden Sie den Biegemodul Ef, indem Sie die Neigung der Kurve im elastischen Bereich berechnen.
  7. Suchen Sie den Bereich unter jeder Spannungs-Dehnungskurve.

5. Datenanalyse

  1. Vergleich der Biegefestigkeit und des Moduls der Verbundproben mit der der Glattputzprobe
    Da das UTM eine einzelne Spaltentextdatei generiert, muss die MATLAB-Schnittstelle sowohl für Kraft als auch für Ablenkung die entsprechenden Werte in verschiedene Arrays sortieren. Um also sowohl die Kraft als auch die Ablenkung zu bestimmen, die für die Gleichungen 4 und 5erforderlich sind, sollten die Gleichungen 2 und 3 in MATLAB implementiert werden.
    Bei Verwendung eines Wägezellenmaximums von 1000 ist die Bestimmung von Biegefestigkeit und Dehnung die Kombination aller Gleichungen. Da MATLAB auch die Spannungs-Dehnungskurve jeder Probe erzeugt, wurde der Biegemodul durch Berechnung der Steigung des elastischen Bereichs ermittelt. Mit Gleichung 6wird der Biegemodul in Bezug auf die beiden ausgewählten Punkte im Spannungs-Dehnungsdiagramm berechnet:
    Equation 1(6)
    Bei der Untersuchung einer Probedaten werden wir feststellen, dass bei der Hinzukommen verschiedener Verstärkungsformen die Festigkeit der Proben erhöht wird, wobei Glasfaserband die größte zusätzliche Festigkeit bietet. In Bezug auf die Duktilität (die als die "plastisch verformbarste" betrachtet werden kann) wird die Glasfaserband verstärkte Probe wird auch die größte sein.
    Außerdem beeinflussen Faserlänge und -ausrichtung die Eigenschaften von Verbundproben drastisch. Eine maximale Verstärkung kann beispielsweise nur erreicht werden, wenn das Glasfaserband parallel zu den Oberflächen der Probe eingestellt ist. Dabei kann das Fiberglasband durch diese räumliche Ausrichtung zusätzlichen Kräften standhalten, wenn die Gipsmatrix versagt. Darüber hinaus kann auch der Schluss gezogen werden, dass längere Streifen von Glasfaserband mehr Festigkeit als kürzere Streifen bieten würden. Längere Teile würden eine maximale Traktion unter den Bedingungen eines 3-Punkt-Biegetests ermöglichen, da mehr Putz die Glasfaserverstärkung umgibt.
  2. Energieaufnahme beim Bondtest
    Der Bereich unter der Spannungs-Dehnungskurve stellt die Energie dar, die ein Material vor dem Ausfall absorbiert. Nach den Ergebnissen, die wir erzielen werden, wird gezeigt, dass die glasfaserverstärkte Probe die größte Menge an Energie absorbiert. Da die Zähigkeit der Fähigkeit eines Materials entspricht, Energie aufzunehmen und sich plastisch ohne Frakturzuformen zu verformen, erwies sich die Fiberglasprobe als die duktilste, indem sie die größte Energiemenge absorbierte; die Fiberglasprobe ist von Natur aus die härteste unter den dreien. Daher ist Zähigkeit das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität, und die Fiberglasprobe hatte die größte Fläche unter ihrer Spannungsdehnungskurve.
  3. Berechnung der theoretischen Festigkeit der gehackten Faser- und Glasfaserbandverbundwerkstoffe unter Verwendung der Formel "Regel der Mischungen" (die relevanten Materialeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt).
    Die theoretische Festigkeit des Verbunds kann durch Gleichung 1 berechnet werden, wobei:
    VF = Volumenanteil der Faser = (Faservolumen)/(Gesamtvolumen der Probe)
    Volumen der Faser = (Masse der Faser)/(Dichte der Faser)
    Volumenanteil = VP = 1- VF .
Dichte, g/ml Biegefestigkeit, MPa
Gehackte Glasfasern 2.5 35
Fiberglasband 0.45 35
Na Na

Tabelle 1. Materialeigenschaften.

Ein Verbundwerkstoff ist ein Material, das durch die Kombination einer Matrix mit einem oder mehreren Bewehrungsmaterialien gebildet wird. Die Gesamtbiegefestigkeit eines Verbundwerkstoffs hängt von den Eigenschaften der Materialien ab, aus der er besteht. Eine Keramik ist ein hartes Material mit starken Kompressionseigenschaften, aber dieses Material ist auch sehr spröde. Durch das Mischen von Glas- oder Polymerfasern verwandelt es sich in ein duktileres Material.

Bei künstlichen Knochenverbundwerkstoffen bietet die Keramik beispielsweise die erforderliche Druckfestigkeit, während die Polymerfasern die Zug- und Biegefestigkeit hinzufügen. Durch die Kombination von Keramik- und Polymerwerkstoffen in unterschiedlichen Mengen können einzigartige Materialien für eine spezifische Anwendung erstellt werden.

Dieses Video wird zeigen, wie man drei keramische Matrix-Verbundwerkstoffe mit von Paris macht und bestimmt, welche Zubereitung die stärksten Biegeeigenschaften hat. Die Biegefestigkeit dieser Proben würde mit dem Dreipunktbiegetest gemessen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf den Drei-Punkte-Biegetest. Bei diesem Verfahren wird eine stabförmige Probe längs auf zwei parallelen Stiften montiert. Die Montage sollte so sein, dass es das Material dehnen und unter einer äußeren Kraft biegen lässt.

Bei diesem Test wird eine externe Kraft senkrecht zur Probe in der Mitte angewendet. Als Ergebnis erfährt es Kompressionskraft auf der Seite, wo externe Last angewendet wird und Zugkraft auf der gegenüberliegenden Seite, wo es gedehnt wird. Die Kombination dieser beiden Kräfte schafft auch einen Bereich von schiere Mime entlang der Mittellinie.

Diese drei Kräfte entscheiden zusammen über die Biege- oder Biegefestigkeit einer bestimmten Probe. Mit einer Erhöhung der äußeren Kraft erhöht sich auch die Biege- oder Umlenkung eines Materials, bis das Material ausfällt. Die Biegedehnung eines Materials kann mit Hilfe der Durchbiegung, Spannweite und Dicke der Probe berechnet werden. Die Biegespannung des Materials kann aus der angewendeten Kraft, Spannweite, Breite und Dicke der Probe berechnet werden.

Der Dreipunkt-Biegetest ergibt eine Biege- und Dehnungskurve eines Materials. Die Neigung einer Kurve im elastischen Bereich stellt den Biegemodul der Probe dar und misst, wie viel ein bestimmtes Material gebeugt werden kann. Der Bereich unter der Spannungs-Dehnungskurve stellt die Menge an Energie dar, die von einem Material vor dem Ausfall absorbiert wird, daher ist er ein Maß für die Zähigkeit des Materials.

Theoretisch kann die maximale Biegefestigkeit eines Verbundwerkstoffs mit der Regel der Mischungen unter Verwendung der maximalen Biegefestigkeit seiner Matrix und Verstärkungsmaterialien unter Volumenfraktionen berechnet werden.

Nun, da Sie verstehen, wie die Dreipunktbiegemethode funktioniert und wie die Biegeeigenschaften des Materials gemessen werden, machen wir drei keramische Verbundwerkstoffe und finden heraus, welche die höchste Biegefestigkeit hat.

Lassen Sie uns zunächst drei Proben von keramischen Matrix-Verbundwerkstoffen machen. Um zu beginnen, erhalten Sie eine blaue Gummiform, die drei bar-förmige Proben machen kann. Wir machen Ihre erste Probe aus dem schlichten. Zunächst wiegen 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Plastikbecher, dann langsam 20 Milliliter entionisiertes Wasser hinzufügen und mit einem Stock rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist. Fahren Sie sofort mit dem nächsten Schritt fort, da der Putz in etwa fünf Minuten zu härten beginnt. Als nächstes gießen Sie die resultierende Gülle in eines der Fächer der Form. Füllen Sie die Form vollständig und glätten Sie sie mit dem Stock. Schließlich werfen Sie den Becher und alle überschüssigen. Bitte halten Sie den Stick für die zukünftige Verwendung.

Sie werden Ihre zweite zusammengesetzte Probe mit dem Gipspulver und gehackten Glasfasern machen. Um dies zu tun, wiegen Sie zuerst vier Gramm gehackte Glasfasern in einen Plastikbecher. Als nächstes wiegen 40 Gramm Gipspulver in die gleiche Tasse dann langsam fügen 20 Milliliter deionisiertes Wasser. Rühren Sie die Gülle mit dem Stock so lange, bis die Fasern gründlich eingemischt sind und eine glatte Konsistenz erreicht ist. Gießen Sie die Gülle in die zweite Form, wie für Probe eins beschrieben.

Sie werden die letzte Zusammengesetzte Probe mit dem einfachen Gipspulver und dem Glasfaserband machen. Um dies zu tun, schneiden Sie zuerst zwei Streifen Glasfaserband etwa fünf Zoll lang und wiegen sie. Zweitens, machen Sie eine Gülle mit einem einfachen Gipspulver, wie Sie für die erste Probe getan haben.

Als nächstes gießen Sie etwa 1/3 des Putzes in die Form. Legen Sie einen Streifen Glasfaserband auf den Putz und drücken Sie mit einem Stock nach unten. Achten Sie immer darauf, dass der Putz das Glasfaserglas gründlich benetzt und dann etwa 1/2 des restlichen Putzes auf das Glasfaserband gießt.

Als nächstes legen Sie den zweiten Bandstreifen auf den Putz und drücken Sie ihn mit einem Stock nach unten. Gießen Sie den Rest des Putzes auf den zweiten Streifen und drücken Sie ihn mit dem Stock nach unten.

Messen Sie die durchschnittliche Länge, Breite und Höhe jedes Balkens. Messen Sie die Spannweite der Probe auf einer Dreipunkt-Prüfvorrichtung mit kalibrierten Kalibern. Stellen Sie das UTM-Instrument auf Null ein und initiieren Sie eine zusätzliche Verdrängungsgeschwindigkeit von fünf Millimetern pro Minute.

Für den einfachen Putz und gehackte Glasfaserproben, führen Sie den Test, bis die Proben fehlschlagen. Führen Sie für den Glasfaserbandverbund den Test aus, bis die Durchbiegung sechs Millimeter beträgt. Verwenden Sie das Lab-View-Programm auf Ihrem Computer, um die Daten aus jedem Test in einer Textdatei zu sammeln.

UTM generiert eine einzelne Spaltentextdatei für Kraft und Ablenkung. Die Lab-Ansichtsschnittstelle sortiert die entsprechenden Messwerte in zwei verschiedene Arrays. Konvertieren Sie nun die Rohdaten in Kraft und die Ablenkung mithilfe der vom UTM und der Wägezelle generierten Zahlen von maximal 1.000.

Als Nächstes berechnen Sie mit Hilfe der Kraft- und Umlenkwerte die Biegespannung und Dehnung. Zeichnen Sie die biegsuren Dehnungsspannungskurve der drei Proben:, gehacktes Glasverbundwerk und Faserbandverbund. Finden Sie die maximale Biegefestigkeit aus der Kurve. Finden Sie auch die Biegedehnung bei maximaler Festigkeit. Berechnen Sie anschließend den Biegemodul und die Gesamtfläche unter der Kurve für jede Probe.

Vergleichen Sie schließlich die Ergebnisse der drei Stichproben. Dieses Experiment zeigt, dass die gewünschte Festigkeit einer Probe durch den Einsatz verschiedener Verstärkungsmaterialien erreicht werden kann. Bei der Untersuchung der Probendaten stellen wir fest, dass Glasfaserband die größte zusätzliche Festigkeit bietet. Es deckt auch die maximale Fläche unter der Kurve ab, ist daher die härteste unter den dreien. Faserlänge und -ausrichtung beeinflussen die Eigenschaften von Verbundproben drastisch.

Die maximale Verstärkung kann beispielsweise nur erreicht werden, wenn das Glasfaserband parallel zu den Oberflächen der Probe eingestellt ist. Diese räumliche Ausrichtung ermöglicht es dem Glasfaserband, zusätzlichen Kräften standzuhalten, wenn die Gipsmatrix versagt. Längere Teile würden eine maximale Traktion unter dem Test ermöglichen, da es mehr Putz um die Glasfaserverstärkung gibt.

Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt: Weltraumwissenschaft, Bioengineering und Kfz-Bruchsysteme. Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe werden auch bei der Synthese unserer künstlichen Knochen verwendet. Unsere Knochen haben von Natur aus eine starke Verbundstruktur, so dass die Fähigkeit, einen Knochen aufgrund von Krankheit oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren ist ein wichtiger Bestandteil der medizinischen Wissenschaft.

Keramikverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihrer höheren Festigkeit, höheren thermischen Stabilität und ihres geringeren Verschleißes auch außergewöhnliche Zerbruchsysteme für Die Automobilindustrie. Aus diesen Gründen werden sie in Sportwagen eingesetzt.

Sie haben gerade Joves Einführung in Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie ein Verbundwerkstoff herstellen, seine Biegeeigenschaften mit dem Dreipunktbiegetest testen und es mit den anderen Verbundwerkstoffen vergleichen.

Danke fürs Zuschauen.

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Results

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Das übergeordnete Ziel der Reihe der vorgenannten Tests besteht darin, die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zwischen verschiedenen zusammengesetzten Knochenersatzstoffen zu vergleichen. Die Biegefestigkeit und Dehnung muss mit den Gleichungen 4 bzw. 5 berechnet werden. Die Spannung und Belastung für jede Probe wird in MATLAB dargestellt. Daraus lassen sich die maximale Biegefestigkeit und die entsprechende Biegedehnung für jeden Datensatz finden. Die Spannung (-f1, f2) und die Dehnung (,f1, f2) für jeden Datenpunkt werden dann in Gleichung 6 verwendet, um den Biegemodul für jede Probe zu bestimmen.

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Applications and Summary

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Dieses Experiment wurde entwickelt, um die Biegefestigkeit an drei verschiedenen Arten von Verbundwerkstoffen zu untersuchen. Wir haben drei Exemplare mit unterschiedlichen Bewehrungsmaterialien gefertigt. Die Matrix war von Paris (eine Calciumsulfat-Verbindung), und wir verwendeten gehackte Glasfasern und Fiberglasband als Verstärkungen. Wir führten 3-Punkt-Biegetests an den gefertigten Proben durch und analysierten die erreichten Daten und verglichen die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, die mit langen, orientierten Fasern hergestellt wurden, mit kurzen Zufallsfasern.

Knochen haben von Natur aus eine starke Verbundstruktur, eine Anpassung an die vielen verschiedenen Kräfte, denen der Körper auf einer konsistenten Basis standhalten muss. Die Verbundstruktur kann als keramikmatrix beschrieben werden, die mit Polymerfasern durchsetzt ist. Der keramische Aspekt sorgt für eine hohe Druckfestigkeit, während die Polymerfasern zu einer erhöhten Biegefestigkeit führen. Offensichtlich ist die Fähigkeit, Knochen aufgrund von Krankheiten oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren, als biomedizinische Ingenieure eine wichtige Facette der medizinischen Wissenschaft. Darüber hinaus ist die Synthese geeigneter Ersatzgewebe aus verschiedenen Metallen, Polymeren oder Keramiken eine praktikable Alternative. Bioengineered Ersatz muss mit der Funktionalität ihrer biologischen Pendants übereinstimmen, und die kritische Analyse und Prüfung verschiedener Biomaterialien wird immer wichtiger.

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Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften
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