由主成分氧化鋁和氧化鋯組成的陶瓷複合材料的製作方法

2023-05-05 03:51:11

專利名稱：由主成分氧化鋁和氧化鋯組成的陶瓷複合材料的製作方法
由主成分氧化鋁和氧化鋯組成的陶瓷複合材料 本發明涉及一種由作為陶瓷基質的氧化鋁和分散其中的氧化鋯組成的複合材料以及其製備方法和其應用。金屬合金和陶瓷材料的分子結構明顯不同。在金屬鍵中電子無序地並以相對小的結合力圍繞原子核旋轉。離子不斷從這種「鬆散」結構脫離例如進入到身體環境中；可能發生各種各樣的化學反應。在陶瓷分子中，電子在陶瓷鍵中遵循準確的預定軌道，即所謂的有向的電子軌道。其結合力非常大，以致該分子特別穩定。因此沒有出現離子的形成，且實際上不可能發生化學反應。極其穩定的陶瓷鍵幾乎排除了材料的塑性變形。這一方面產生了所期望的極其高的硬度，但另一方面又導致相對高的脆性。但用恰當的材料設計可同時實現高硬度和高韌性。 材料科學區分斷裂強度和斷裂韌性。斷裂強度表示材料經受的而未斷裂的最大機械應力，斷裂韌性或也稱裂紋韌性表示材料抗裂紋生長發生的能力。現今，在醫學技術中已經使用具有非常高的斷裂強度的陶瓷材料。某些這類陶瓷材料還被賦予了極高的斷裂韌性。與其它陶瓷相比，這類材料可明顯更好地抵抗裂紋的發生和中斷裂紋進程。該特性基於兩個增強機理。該第一個增強機理歸因於所貯存的四方形的氧化鋯納米顆粒。該顆粒在穩定的氧化鋁-基質中呈單個分布。這些顆粒在裂紋區產生局部壓力峰，並由此起抗裂紋擴展的作用。第二個增強機理是由小片形的晶體實現的，該晶體在氧化物混合物中同樣孤立地形成。這些「片晶」使可能的裂紋轉向、分散斷裂能和由此消散斷裂能。該兩功能使得也可用這類材料構成以前用陶瓷不可實現的組件幾何形狀。本發明的目的在於，進一步改進己知陶瓷材料的特性。本發明涉及一種陶瓷複合材料，其由主成分即氧化鋁和氧化鋯以及一種或多種可影響複合材料的特性的無機添加料組成。其中氧化鋁構成主成分，其體積含量為> 65 %，優選85-90 %,氧化錯構成副成分,其體積含量為10-35 %。此外,氧化招和氧化錯均還可以包含可溶性成分。作為可溶性成分可以具有下列元素的一種或多種Cr、Fe、Mg、Ti、Y、Ce、Ca、鑭系元素和/或V。氧化鋯在起始狀態以主要份額為正方晶相存在，按總氧化鋯含量計，所述正方晶相優選為80-99 %，特別優選為90-99 %。己知的氧化鋯從正方晶形向單斜晶形的相變在根據本發明的複合材料中被用作增強機理，以有利影響斷裂韌性和強度。令人意外的是，在本發明的複合材料中氧化鋯的正方晶相的穩定作用不是化學實現的，而是力學實現的。因此，相對於氧化鋯含量，無機的化學穩定劑的含量限制這樣的值上，該值在明顯低於現有技術通常使用的含量。在現有技術中通常優選使用的化學穩定劑是Y203。其它已知的穩定劑是Ce02、CaO和MgO。適於陶瓷複合材—的已知配y的實例是:_
S I基於ZrOa計的YaOA
-γ—τζρ(ι) .2. 8 或 3. 2—
ZTA(2) 11. 3—(1)釔增韌氧化鋯⑵氧化鋯增韌氧化鋁。在本發明的複合材料中，使用的穩定劑含量明顯低於現有技術中使用的含量。根據本發明，可通過在本發明的複合材料中將這種氧化鋯嵌入氧化鋁-基質中，該氧化鋯通過在該基質中的嵌入以亞穩的正方晶相而穩定(力學穩定化)。適於結構力學穩定化的前提是氧化鋁比例至少為65 Vol %，優選65-90 Vol %，同時氧化鋯含量為10-35 Vol %。在本發明的複合材料中氧化鋯顆粒的顆粒大小對本發明中令人意外地可實現的力學穩定化是特別重要的。該氧化鋯顆粒的顆粒大小平均不應超過O. 5 μ m (按直接交會法測定)。平均顆粒大小為O. I μ m-0. 2 μ m>0. 2 μ m-0. 3 μ m、0. 3 μ m-0. 4 μ m或0. 4 μ m_0. 5 μ m的氧化錯顆粒對本發明的力學穩定化的複合材料是優選的，優選為O. I μ m-0. 3 μ m，特別優選為O. 15 μ m-0. 25 μ m。在本發明的複合材料中的化學穩定劑的比例(各自相對於氧化鋯含量的比例)為Y203 彡 I. 5 Mol %，優選彡 I. 3 Mol % ；Ce02 ( 3 Mol % ；MgO ( 3 Mol % ;和 CaO ( 3 Mol %。特別優選的是穩定劑的總含量小於O. 2 Mol %。不含化學穩定劑的力學穩定的複合材料是本發明最特別優選的。已知，通過使用化學穩定劑穩定的材料，特別是通過Y2O3穩定的材料易於水熱老化。在這類材料中，在升高的溫度下例如甚至體溫下在水分子存在時發生自發的相變。這種高溫下對水敏感性的原因是在氧化鋯-晶格中形成可由羥離子佔居的氧空位。這種現象稱為「水熱老化」。與使用化學穩定劑，特別是使用Y2O3穩定的材料相比，根據本發明的複合材料具有明顯更小的水熱老化趨勢。在本發明的複合材料中，通過降低化學穩定劑的含量，氧化鋯晶格所含的氧空位按比例下降。由此，與現有技術己知的材料相比，本發明的複合材料在高溫下對水的存在有明顯更低的敏感性，即本發明的複合材料明顯更不易水熱老化。根據本發明的複合材料的製備藉助於本身己知的常規的陶瓷工藝進行。該工藝的主要過程步驟例如是
a)在水中加入按給定組成的粉末混合物，任選使用液化劑以避免沉降。b)在溶解器(高速運轉的攪拌器)中勻質化。c)在攪拌球磨機中研磨，由此提高粉末混合物的比表面(=粉碎)。d)任選加入有機粘合劑。e)噴霧乾燥，由此形成具有規定特性的可自由流動的粒狀物。f)用水溼潤該粒狀物。g)軸向或等靜壓制。h)切削加工的生坯處理，由此在考慮到燒結收縮下儘可能形成最終外形。i)預燒制，由此收縮到理論密度的約98 %。該還保留的殘餘孔是向外封閉的。j)在高溫和高氣壓下熱等靜壓制，由此呈實際上的完全最終壓實。k)所謂的白熱燒制，由此以補償在熱等靜壓制中產生的陶瓷中氧離子的不平衡。I)通過打磨和拋光進行硬化加工。m)退火。本發明的複合材料例如可用於製備燒結成型件、在醫學技術中用於製備在動態負載下具有能量吸收能力的部件，用於製備例如醫學應用的矯正件和內假體，如髖關節植入件或膝關節植入件、鑽頭，對磨擦、化學和/或熱有要求的機械製造部件。因此，本發明涉及一種由作為陶瓷基質的氧化鋁、在其中分散的氧化鋯和任選的其它添加料所製成的複合材料，其中
該複合材料含至少65 Vol %的氧化鋁比例作為第一相和10-35 Vol %的氧化鋯比例作為第二相，任選包含一種或多種無機添加料，並且其中按總的氧化鋯含量計氧化鋯主要部分，優選80-99 %，特別優選90-99 %以正方晶相存在，並且氧化鋯的正方晶相的穩定作用主要不是化學實現的，而主要是力學實現的。一種本發明的複合材料是特別優選的，其中 氧化鋯顆粒具有平均為O. 1-0. 5 μ m，優選平均為O. 15-0. 25 μ m的顆粒大小；
相對於氧化錯，化學穩定劑的含量的值限制這樣的值上，該值明顯低於現有技術中各自所用的化學穩定劑的量；
在根據本發明的複合材料中的化學穩定劑的比例(各相對於氧化鋯含量計)為Y2O3 彡 I. 5 Mol %，優選彡 I. 3 Mol % ；Ce02 ( 3 Mol % ；MgO ( 3 Mol % ；CaO ( 3 Mol % ；
化學穩定劑的總含量< O. 2 Mol % ；
該複合材料不含化學穩定劑；
該氧化鋁和/或氧化鋯含可溶性成分；
作為氧化鋁和/或氧化鋯中的可溶性成分具有下列元素的一種或多種Cr、Fe、Mg、Ti、Y、Ce、Ca、鑭系元素和/或V ;
此外，本發明涉及根據本發明的複合材料的應用 用於製備燒結成型件；
用於製備在動態負載下具有能量吸收能力的構件；
在醫學技術中；
用於製備在醫學技術中的人工假體，如用於製備矯正件和內假體；
用於製備髖關節植入件或膝關節植入件。
權利要求
1.由作為陶瓷基質的氧化鋁、分散其中的氧化鋯和任選的其它骨料組成的複合材料，其特徵在於，該複合材料含至少65 Vol %比例的氧化鋁作為第一相和10-35 Vol %比例的氧化鋯作為第二相，任選包含一種或多種無機添加料，並且其中按總的氧化鋯含量計氧化鋯主要部分，優選80-99 %，特別優選90-99 %以正方晶相存在，並且氧化鋯的正方晶相的穩定作用主要不是化學實現的，而主要是力學實現的。
2.根據權利要求I的複合材料，其特徵在於，所述氧化鋯顆粒具有平均為O.1-0.5μ m，優選平均為O. 15-0. 25 μ m的顆粒大小。
3.根據權利要求I或2的複合材料，其特徵在於，相對於氧化鋯，化學穩定劑的含量的值限制這樣的值上，該值明顯低於現有技術中各自所用的化學穩定劑的量。
4.根據上述權利要求之一或多項的複合材料，其特徵在於，在根據本發明的複合材料中的化學穩定劑的比例(各相對於氧化鋯含量計)為=Y2O3彡1.5 Mol %，優選彡1.3 Mol % ；Ce02 く 3 Mol % ；MgO く 3 Mol % ；CaO く 3 Mol %。
5.根據上述權利要求之一或多項的複合材料，其特徵在於，所述化學穩定劑的總含量< O. 2 Mol %。
6.根據上述權利要求之一或多項的複合材料，其特徵在於，所述複合材料不含化學穩定劑。
7.根據上述權利要求之一或多項的複合材料，其特徵在於，所述氧化鋁和/或氧化鋯含可溶性成分。
8.根據上述權利要求之一或多項的複合材料，其特徵在幹，作為氧化鋁和/或氧化鋯中的可溶性成分具有下列元素的ー種或多種Cr、Fe、Mg、Ti、Y、Ce、Ca、鑭系元素和/或V。
9.根據權利要求1-8之一或多項的複合材料用於製備燒結成型件的應用。
10.根據權利要求1-8之一或多項的複合材料在製備於動態負載下具有能量吸收能力的構件的應用。
11.根據權利要求1-8之一或多項的複合材料在醫學技術中的應用。
12.根據權利要求1-8之一或多項的複合材料用於製備在醫學技術中的人工假體，例如用於製備矯正件和內假體的應用。
13.根據權利要求1-8之一或多項的複合材料在製備髖關節植入件或膝關節植入件中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種由作為陶瓷基質的氧化鋁和分散其中的氧化鋯組成的複合材料以及其製備方法和應用。
文檔編號A61L27/10GK102858714SQ201080063957
公開日2013年1月2日 申請日期2010年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者M.孔茨, L.戈特維克, K.希爾歇爾, A.莫爾哈特, K.弗裡德裡希, N.施奈德 申請人:陶瓷技術有限責任公司