生物陶瓷实例

2020/5/281牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能2020/5/282ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义结论主要内容2020/5/283ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能结论2020/5/284•随着国民经济的持续发展，现代人对牙齿美容、保健的重视程度不断提高，牙科冠桥需求量不断增长。而我国口腔医用陶瓷材料主要依靠进口，市场价格很高。研究低成本，高性能的牙科生物陶瓷材料具有非常重要的社会意义和经济价值。•ZTA（氧化锆增韧氧化铝）具有高的强度和韧性，被认为是一种应用前景广阔的结构陶瓷。但是其可加工性较差，限制了其在牙科领域的应用。本文拟采用ZTA/BN复合的方式提高其可加工性。课题背景及意义2020/5/285课题背景及意义可加工性能可加工陶瓷可加工玻璃陶瓷石墨系复相陶瓷h-BN系复相陶瓷层状复相陶瓷稀土磷酸盐系复相陶瓷石墨云母CePO4层状h-BNZ.H.Jin.Al2O3/BN，Y-ZrO2/BN,SiC/BNG.J.Zhang.BN/SiC，BN/AlN，BN/Al2O3，BN/mulliteRubertRuh.B4C/BN,Mazdiyasni，Si3N4/BNZ.T.Zhang.MgAlON/BNZTA/BN牙科ZTA/BN可加工目标2020/5/286ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义结论牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能2020/5/287实验材料及研究方法2AlN+B2O3+ZrO2=Al2O3+2BN+ZrO2BN0%~30%vol对比实验：将BN直接加入到ZTA中原位反应热压烧结热力学计算：ΔＧ＜０ZTAh-BN2020/5/288表2-1反应热压体系原料成分设计2020/5/289表2-2对比实验原料成分设计2020/5/2810实验材料及研究方法图2-2工艺流程图图2-4热压反应烧结的工艺制度2020/5/2811ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义结论牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能2020/5/2812ZTA/BN复相陶瓷的物相分析1.烧结前后物相变化2AlN+B2O3+ZrO2=Al2O3+2BN+ZrO2图3-21800℃-nmZTA-12.5%BN复相陶瓷烧结前后物相变化(a)反应热压烧结前，(b)反应热压烧结后2020/5/28132.对比实验ZTA/BN复相陶瓷的物相分析图3-3对比实验的XRD图谱（a）1800℃-nmZTA-12.5%BN（BN直接加入），（b）1800℃-nmZTA-0%BN，（c）1800℃-nmZTA-12.5%BN(BN反应生成)1800℃-nmZTA反应生成0%BNBN直接加入2020/5/2814ZTA/BN复相陶瓷的物相分析3.1600℃烧结温度下不同含量BN的复相陶瓷材料XRD分析图3-41600℃烧结温度下不同含量的复相陶瓷材料的XRD图谱(a)1600℃-μmZTA-10%BN，(b)1600℃-μmZTA-20%BN，(c)1600℃-μmZTA-30%BN10%BN20%BN30%BN1600℃-μmZTA2020/5/2815图3-5相同含量不同的烧结温度下复相陶瓷材料的XRD图谱（a）1500℃-nmZTA-20%BN，（b）1600℃-nmZTA-20%BN，（c）1700℃-nmZTA-20%BN4.20%BN不同的烧结温度下复相陶瓷材料的XRD分析ZTA/BN复相陶瓷的物相分析1600℃1700℃1500℃nmZTA-20%BN2020/5/2816778796779996708090100150016001700SinteringTemperature/℃RelativeDensity/%系列1系列2nmZTA-20%BNμmZTA-20%BNZTA/BN复相陶瓷致密度图3-6烧结温度及氧化锆粒度对复相陶瓷材料致密度的影响图3-71700℃烧结复相陶瓷的致密度及密度随BN含量的变化曲线2020/5/2817复相陶瓷材料SEM观察1.抛光表面的观察与分析图3-81800℃-nmZTA-15%BN的二次电子照片图3-91800℃-nmZTA-15%BN的背散射照片2020/5/28182.断口的观察与分析图3-101800℃-nmZTA-12.5%BN的背散射照片图3-121800℃-nmZTA-12.5%BN的二次电子照片复相陶瓷材料SEM观察2020/5/2819图3-141800℃-nmZTA-0%BN的二次电子照片图3-151800℃-nmZTA-0%BN的背散射照片3.对比实验复相陶瓷材料SEM观察2020/5/28204.裂纹扩展路径的观察复相陶瓷材料SEM观察2020/5/2821复相陶瓷材料TEM观察（a）图3-171800℃-nmZTA-12.5%BN复相陶瓷的TEM观察（a）三相分布2020/5/2822（b）（c）（b）t-ZrO2的电子衍射斑点，（c）Al2O3的电子衍射斑点，（d）BN的电子衍射斑点复相陶瓷材料TEM观察2020/5/2823复相陶瓷材料TEM观察图3-181800℃-nmZTA-15%BN复相陶瓷的TEM观察(a)、(b)、(c)为TEM照片，(d)氧化锆与氧化铝的界面观察，（e）氧化铝与氮化硼的界面观察，（f）氧化锆与氮化硼的界面观察2020/5/2824图3-191800℃-nmZTA-12.5%BN（BN直接加入）复相陶瓷中h-BN的TEM观察对比实验复相陶瓷材料TEM观察2020/5/2825复相陶瓷材料力学性能图3-20μmZTA-20%BN的强度及韧性随烧结温度变化曲线1.抗弯强度和断裂韧性2020/5/2826图3-211700℃-nmZTA/BN材料强度及韧性随BN含量的变化曲线复相陶瓷材料力学性能2020/5/28272.氧化锆初始粒径大小对抗弯强度及断裂韧性的影响图3-23不同烧结温度下μmZTA/BN与nmZTA/BN的强度比较复相陶瓷材料力学性能135246354674115327449730502504506508501500160017001800SinteringTemperature/℃FlexuralStrength/Mpa…...μmZTA/BNnmZTA/BN2020/5/28281.33.14.715.91202468101214150016001700SinteringTemperature/℃HV/GPaμmZTA/BNnmZTA/BN3.复相陶瓷材料的硬度图3-25复相陶瓷材料的硬度100μm(a)100μm(b)图3-26复相陶瓷材料的压痕形貌（a）1700℃-μmZTA-20%BN，（b）1600℃-nmZTA-20%BN复相陶瓷材料力学性能2020/5/2829ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义结论牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能2020/5/2830可加工性能1.钻孔实验图4-31800℃-nmZTA-12.5%BN复相陶瓷钻孔宏观照片φ3mm的硬质合金钻头图4-21700℃烧结温度下复相陶瓷材料钻孔速率随BN含量增加的变化曲线2020/5/28312.钻孔前后物相变化图4-5钻孔前后物相变化（a）钻孔前复相陶瓷XRD图谱，（b）钻孔后复相陶瓷钻屑XRD图谱可加工性能2020/5/2832ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义结论牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能2020/5/2833高温氧化及表面裂纹修复图5-2高温氧化前后物相分析（a）室温，（b）900℃，（c）1000℃，（d）1200℃1.高温氧化前后物相变化2020/5/2834图5-3高温氧化层磨削前后物相对比（a）高温氧化前，（b）1200℃高温氧化后，（c）1200℃高温氧化后，表面磨削0.2mm高温氧化及表面裂纹修复2020/5/2835表5-2高温氧化前后复相陶瓷材料的抗弯强度变化（MPa）高温氧化前1000℃高温氧化后无压痕626423有压痕157417高温氧化前1000℃高温氧化后1600℃-nZTA-25%BN2.86.21700℃-μZTA-25%BN4.76.91800℃-nZTA-15%BN10.313.2表5-3高温氧化前后复相陶瓷材料的硬度变化（GPa）高温氧化及表面裂纹修复2.高温氧化前后强度及硬度变化2020/5/2836硼酸铝晶须图5-31800℃-nZTA-15%BN样品1000℃高温氧化后表面形貌的背散射照片图5-41800℃-nZTA-15%BN样品1000℃高温氧化后表面形貌的二次电子照片3.高温氧化前后表面形貌SEM观察高温氧化及表面裂纹修复2020/5/2837ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能ZTA/BN可加工性能高温氧化及表面裂纹修复实验材料及研究方法课题背景及意义结论牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能2020/5/2838结论(1)通过XRD物相分析可知，H3BO3和AlN在高温下发生反应，生成Al2O3和BN，没有其他杂质相的生成。随烧结温度的升高，复相陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性逐渐增大；随所生成BN含量的增加，复相陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性逐渐降低。(2)从试样断口的SEM照片中可以观察到，在氧化锆及氧化铝晶粒之间有大量的团簇状的BN片晶生成，片宽500nm左右，片厚50nm左右。这种BN片晶的生成有利于改善材料的力学性能及可加工性能。2020/5/2839结论(3)试样的TEM观察从微观角度解释了反应热压体系为什么能有效抑制在烧结降温过程中氧化锆发生t→m相变。氧化锆主要以t相形式存在，与XRD结果向吻合。(4)所制备的复相陶瓷材料具备高强度的同时拥有良好的可加工性能。(5)1000℃以上的温度高温氧化前后，复相陶瓷表面物相发生了很大变化，主要是氮化硼和氧化铝反应生成了硼酸铝，并有少量的t-ZrO2转变为m-ZrO2。通过对高温氧化前后强度的变化推测高温氧化后预制裂纹得到修复。