由主成分氧化铝和氧化锆组成的陶瓷复合材料制造技术

本发明专利技术涉及一种由作为陶瓷基质的氧化铝和分散其中的氧化锆组成的复合材料以及其制备方法和应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由主成分氧化铝和氧化锆组成的陶瓷复合材料 本专利技术涉及一种由作为陶瓷基质的氧化铝和分散其中的氧化锆组成的复合材料以及其制备方法和其应用。金属合金和陶瓷材料的分子结构明显不同。在金属键中电子无序地并以相对小的结合力围绕原子核旋转。离子不断从这种“松散”结构脱离例如进入到身体环境中；可能发生各种各样的化学反应。在陶瓷分子中，电子在陶瓷键中遵循准确的预定轨道，即所谓的有向的电子轨道。其结合力非常大，以致该分子特别稳定。因此没有出现离子的形成，且实际上不可能发生化学反应。极其稳定的陶瓷键几乎排除了材料的塑性变形。这一方面产生了所期望的极其高的硬度，但另一方面又导致相对高的脆性。但用恰当的材料设计可同时实现高硬度和高韧性。 材料科学区分断裂强度和断裂韧性。断裂强度表示材料经受的而未断裂的最大机械应力，断裂韧性或也称裂纹韧性表示材料抗裂纹生长发生的能力。现今，在医学技术中已经使用具有非常高的断裂强度的陶瓷材料。某些这类陶瓷材料还被赋予了极高的断裂韧性。与其它陶瓷相比，这类材料可明显更好地抵抗裂纹的发生和中断裂纹进程。该特性基于两个增强机理。该第一个增强机理归因于所贮存的四方形的氧化锆纳米颗粒。该颗粒在稳定的氧化铝-基质中呈单个分布。这些颗粒在裂纹区产生局部压力峰，并由此起抗裂纹扩展的作用。第二个增强机理是由小片形的晶体实现的，该晶体在氧化物混合物中同样孤立地形成。这些“片晶”使可能的裂纹转向、分散断裂能和由此消散断裂能。该两功能使得也可用这类材料构成以前用陶瓷不可实现的组件几何形状。本专利技术的目的在于，进一步改进己知陶瓷材料的特性。本专利技术涉及一种陶瓷复合材料，其由主成分即氧化铝和氧化锆以及一种或多种可影响复合材料的特性的无机添加料组成。其中氧化铝构成主成分，其体积含量为> 65 %，优选85-90 %,氧化错构成副成分,其体积含量为10-35 %。此外,氧化招和氧化错均还可以包含可溶性成分。作为可溶性成分可以具有下列元素的一种或多种Cr、Fe、Mg、Ti、Y、Ce、Ca、镧系元素和/或V。氧化锆在起始状态以主要份额为正方晶相存在，按总氧化锆含量计，所述正方晶相优选为80-99 %，特别优选为90-99 %。己知的氧化锆从正方晶形向单斜晶形的相变在根据本专利技术的复合材料中被用作增强机理，以有利影响断裂韧性和强度。令人意外的是，在本专利技术的复合材料中氧化锆的正方晶相的稳定作用不是化学实现的，而是力学实现的。因此，相对于氧化锆含量，无机的化学稳定剂的含量限制这样的值上，该值在明显低于现有技术通常使用的含量。在现有技术中通常优选使用的化学稳定剂是Y203。其它已知的稳定剂是Ce02、CaO和MgO。适于陶瓷复合材—的已知配y的实例是:_ S I基于ZrOa计的YaOA-γ—τζρ(ι) .2. 8 或 3. 2—ZTA(2) 11. 3—(1)钇增韧氧化锆⑵氧化锆增韧氧化铝。在本专利技术的复合材料中，使用的稳定剂含量明显低于现有技术中使用的含量。根据本专利技术，可通过在本专利技术的复合材料中将这种氧化锆嵌入氧化铝-基质中，该氧化锆通过在该基质中的嵌入以亚稳的正方晶相而稳定(力学稳定化)。适于结构力学稳定化的前提是氧化铝比例至少为65 Vol %，优选65-90 Vol %，同时氧化锆含量为10-35 Vol %。在本专利技术的复合材料中氧化锆颗粒的颗粒大小对本专利技术中令人意外地可实现的力学稳定化是特别重要的。该氧化锆颗粒的颗粒大小平均不应超过O. 5 μ m (按直接交会法测定)。平均颗粒大小为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的氧化错颗粒对本专利技术的力学稳定化的复合材料是优选的，优选为O. I μ m-0. 3 μ m，特别优选为O. 15 μ m-0. 25 μ m。在本专利技术的复合材料中的化学稳定剂的比例(各自相对于氧化锆含量的比例)为Y203 彡 I. 5 Mol %，优选彡 I. 3 Mol % ；Ce02 ( 3 Mol % ；MgO ( 3 Mol % ;和 CaO ( 3 Mol %。特别优选的是稳定剂的总含量小于O. 2 Mol %。不含化学稳定剂的力学稳定的复合材料是本专利技术最特别优选的。已知，通过使用化学稳定剂稳定的材料，特别是通过Y2O3稳定的材料易于水热老化。在这类材料中，在升高的温度下例如甚至体温下在水分子存在时发生自发的相变。这种高温下对水敏感性的原因是在氧化锆-晶格中形成可由羟离子占居的氧空位。这种现象称为“水热老化”。与使用化学稳定剂，特别是使用Y2O3稳定的材料相比，根据本专利技术的复合材料具有明显更小的水热老化趋势。在本专利技术的复合材料中，通过降低化学稳定剂的含量，氧化锆晶格所含的氧空位按比例下降。由此，与现有技术己知的材料相比，本专利技术的复合材料在高温下对水的存在有明显更低的敏感性，即本专利技术的复合材料明显更不易水热老化。根据本专利技术的复合材料的制备借助于本身己知的常规的陶瓷工艺进行。该工艺的主要过程步骤例如是 a)在水中加入按给定组成的粉末混合物，任选使用液化剂以避免沉降。b)在溶解器(高速运转的搅拌器)中匀质化。c)在搅拌球磨机中研磨，由此提高粉末混合物的比表面(=粉碎)。d)任选加入有机粘合剂。e)喷雾干燥，由此形成具有规定特性的可自由流动的粒状物。f)用水湿润该粒状物。g)轴向或等静压制。h)切削加工的生坯处理，由此在考虑到烧结收缩下尽可能形成最终外形。i)预烧制，由此收缩到理论密度的约98 %。该还保留的残余孔是向外封闭的。j)在高温和高气压下热等静压制，由此呈实际上的完全最终压实。k)所谓的白热烧制，由此以补偿在热等静压制中产生的陶瓷中氧离子的不平衡。I)通过打磨和抛光进行硬化加工。m)退火。本专利技术的复合材料例如可用于制备烧结成型件、在医学技术中用于制备在动态负载下具有能量吸收能力的部件，用于制备例如医学应用的矫正件和内假体，如髋关节植入件或膝关节植入件、钻头，对磨擦、化学和/或热有要求的机械制造部件。因此，本专利技术涉及一种由作为陶瓷基质的氧化铝、在其中分散的氧化锆和任选的其它添加料所制成的复合材料，其中 该复合材料含至少65 Vol %的氧化铝比例作为第一相和10-35 Vol %的氧化锆比例作为第二相，任选包含一种或多种无机添加料，并且其中按总的氧化锆含量计氧化锆主要部分，优选80-99 %，特别优选90-99 %以正方晶相存在，并且氧化锆的正方晶相的稳定作用主要不是化学实现的，而主要是力学实现的。一种本专利技术的复合材料是特别优选的，其中 氧化锆颗粒具有平均为O. 1-0. 5 μ m，优选平均为O. 15-0. 25 μ m的颗粒大小； 相对于氧化错，化学稳定剂的含量的值限制这样的值上，该值明显低于现有技术中各自所用的化学稳定剂的量； 在根据本专利技术的复合材料中的化学稳定剂的比例(各相对于氧化锆含量计)为Y2O3 彡 I. 5 Mol %，优选彡 I. 3 Mol % ；Ce02 ( 3 Mol % ；MgO ( 3 Mol % ；CaO ( 3 Mol % ；化学稳定剂的总含量< O. 2 Mol % ； 该复合材料不含化学稳定剂； 该氧化铝和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M孔茨，M孔茨，L戈特维克，K希尔歇尔，A莫尔哈特，K弗里德里希，N施奈德，
申请(专利权)人：陶瓷技术有限责任公司，
类型：
国别省市：