[發(fā)明專利]由主成分氧化鋁和氧化鋯以及彌散體相組成的陶瓷復(fù)合材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080063952.8
• 申請(qǐng)日: 2010-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102869635A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M.孔茨;M.孔茨;L.格特維克;K.希爾歇爾;A.莫爾哈特;K.弗里德里希;N.施奈德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陶瓷技術(shù)有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): C04B35/106
• 分類號(hào): C04B35/106;C04B35/119;A61L27/10
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 石克虎;林森

本發(fā)明涉及一種由作為陶瓷基質(zhì)的氧化鋁和分散其中的氧化鋯組成的復(fù)合材料以及其制備方法和其應(yīng)用。

金屬合金和陶瓷材料的分子結(jié)構(gòu)明顯不同。在金屬鍵中電子無(wú)序地并以相對(duì)小的結(jié)合力圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。離子不斷從這種“松散”結(jié)構(gòu)脫離例如進(jìn)入到身體環(huán)境中；可能發(fā)生各種各樣的化學(xué)反應(yīng)。

在陶瓷分子中，電子在陶瓷鍵中遵循準(zhǔn)確的預(yù)定軌道，即所謂的有向的電子軌道。其結(jié)合力非常大，以致該分子特別穩(wěn)定。因此沒(méi)有出現(xiàn)離子的形成，且實(shí)際上不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

極其穩(wěn)定的陶瓷鍵幾乎排除了材料的塑性變形。這一方面產(chǎn)生了所期望的極其高的硬度，但另一方面又導(dǎo)致相對(duì)高的脆性。但用恰當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高硬度和高韌性。

材料科學(xué)區(qū)分?jǐn)嗔褟?qiáng)度和斷裂韌性。斷裂強(qiáng)度表示材料經(jīng)受的而未斷裂的最大機(jī)械應(yīng)力，斷裂韌性或也稱裂紋韌性表示材料抗裂紋生長(zhǎng)發(fā)生的能力?，F(xiàn)今，在醫(yī)學(xué)技術(shù)中已經(jīng)使用具有非常高的斷裂強(qiáng)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(fā)生和中斷裂紋進(jìn)程。

該特性基于兩個(gè)增強(qiáng)機(jī)理。該第一個(gè)增強(qiáng)機(jī)理歸因于所貯存的四方形的氧化鋯納米顆粒。該顆粒在穩(wěn)定的氧化鋁-基質(zhì)中呈單個(gè)分布。這些顆粒在裂紋區(qū)產(chǎn)生局部壓力峰，并由此起抗裂紋擴(kuò)展的作用。

第二個(gè)增強(qiáng)機(jī)理是由小片形的晶體實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(gòu)成以前用陶瓷不可實(shí)現(xiàn)的組件幾何形狀。

本發(fā)明的目的在于，進(jìn)一步改進(jìn)己知陶瓷材料的特性。

本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)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復(fù)合材料的特性的無(wú)機(jī)添加料組成。其中氧化鋁構(gòu)成主成分，其體積含量為＞65?%，優(yōu)選85-90?%，氧化鋯構(gòu)成副成分，其體積含量為10-35?%。其它的下面稱為彌散體的添加劑的體積含量為1-10?%，優(yōu)選2-8?%，特別優(yōu)選3.5-7?%。此外，氧化鋁和氧化鋯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(tài)以主要份額為正方晶相存在，按總氧化鋯含量計(jì)，所述正方晶相優(yōu)選為80-99?%，特別優(yōu)選為90-99?%。己知的氧化鋯從正方晶形向單斜晶形的相變?cè)诟鶕?jù)本發(fā)明的復(fù)合材料中被用作增強(qiáng)機(jī)理，以有利影響斷裂韌性和強(qiáng)度。

令人意外的是，在本發(fā)明的復(fù)合材料中氧化鋯的正方晶相的穩(wěn)定作用不是化學(xué)實(shí)現(xiàn)的，而是力學(xué)實(shí)現(xiàn)的。因此，相對(duì)于氧化鋯含量，無(wú)機(jī)的化學(xué)穩(wěn)定劑的含量限制這樣的值上，該值在明顯低于現(xiàn)有技術(shù)通常使用的含量。在現(xiàn)有技術(shù)中通常優(yōu)選使用的化學(xué)穩(wěn)定劑是Y₂O₃。其它已知的穩(wěn)定劑是CeO₂、CaO和MgO。

適于陶瓷復(fù)合材料的已知配方的實(shí)例是：

名稱基于ZrO₂計(jì)的Y₂O₃ %Y-TZP⁽¹⁾2.8或3.2ZTA⁽²⁾1.3

⁽¹⁾釔增韌氧化鋯??⁽²⁾氧化鋯增韌氧化鋁。

在本發(fā)明的復(fù)合材料中，使用的穩(wěn)定劑含量明顯低于現(xiàn)有技術(shù)中使用的含量。根據(jù)本發(fā)明，可通過(guò)在本發(fā)明的復(fù)合材料中將這種氧化鋯嵌入氧化鋁-基質(zhì)中，該氧化鋯通過(guò)在該基質(zhì)中的嵌入以亞穩(wěn)的正方晶相而穩(wěn)定(力學(xué)穩(wěn)定化)。