Керамический композиционный материал, состоящий из оксида алюминия и оксида циркония в качестве основных компонентов


 


Владельцы патента RU 2592319:

КЕРАМТЕК ГМБХ (DE)

Изобретение относится к керамическим композиционным материалам, состоящим из оксида алюминия в качестве керамической матрицы и диспергированного в ней оксида циркония, и может быть использовано в медицинской промышленности для изготовления искусственных протезов, например ортезов и эндопротезов, или для изготовления имплантатов тазобедренных или коленных суставов. Композиционный материал в качестве первой фазы содержит по меньшей мере 65 об.% оксида алюминия и в качестве второй фазы от 10 до 35 об.% оксида циркония, причем оксид циркония, в пересчете на общее содержание оксида циркония, от 80 до 99%, находится в виде тетрагональной фазы, а общее содержание химических стабилизаторов для стабилизации тетрагональной фазы оксида циркония составляет менее 0,2 мол.%. Технический результат изобретения - повышение прочности и трещиностойкости изделий из композиционного материала. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к композиционному материалу, состоящему из оксида алюминия в качестве керамической матрицы и диспергированного в ней оксида циркония, а также к способу изготовления указанного материала и его применению.

Металлические сплавы и керамические материалы обладают существенно различающимися молекулярными структурами. Электроны металлической связи вращаются вокруг атомных ядер беспорядочно и со сравнительно небольшой силой связи. По причине подобной «рыхлой» структуры, например, в физической среде постоянно высвобождаются ионы, а также оказывается возможным протекание самых разных химических реакций.

Электроны связей в молекулах керамических материалов следуют точно установленным траекториям, так называемым ориентированным электронным орбиталям. Сила подобной связи чрезвычайно высока, и молекулы керамических материалов отличаются чрезвычайно высокой стабильностью. Вследствие этого отсутствует образование ионов, и практически исключено протекание химических реакций.

Экстремально высокая стабильность связей в молекулах керамического материала обусловливает практически полное отсутствие возможности его пластического деформирования. С одной стороны, это придает керамическому материалу необходимую экстремально высокую твердость, однако, с другой стороны, является причиной относительно высокой хрупкости этого материала. Тем не менее надлежащее конструирование керамического материала позволяет одновременно достигать высокой твердости и высокой вязкости.

В материаловедении различают прочность при разрыве и вязкость разрушения. Прочностью при разрыве называют максимальное механическое напряжение, которое способен выдержать материал до разрушения. Вязкость разрушения (или трещиностойкость) служит характеристикой сопротивления материала разрастанию трещин. В настоящее время в медицинской промышленности уже используют керамические материалы, которые обладают чрезвычайно высокой прочностью при разрыве. Некоторым из подобных керамических материалов дополнительно придают экстремально высокую вязкость разрушения. Подобные материалы способны гораздо лучше сопротивляться образованию и распространению трещин по сравнению с другими керамическими материалами.

Указанная особенность керамических материалов основана на двух механизмах усиления. Усиление керамических материалов в соответствии с первым механизмом обусловлено включением тетрагональных наночастиц оксида циркония. Указанные частицы разрозненно распределены в стабильной матрице из оксида алюминия. Они формируют локальные пиковые давления в зоне трещин, а следовательно, противодействуют их распространению.

Второй механизм усиления обусловлен присутствием кристаллов в виде пластинок, которые также разрозненно распределены в смеси оксидов. Подобные пластинки изменяют направление возможных трещин, рассеивают их энергию, а следовательно, ликвидируют их. Оба механизма позволяют конструировать из соответствующих керамических материалов элементы с геометрическими параметрами, достичь которых раньше не удавалось.

В основу настоящего изобретения была положена задача дальнейшего улучшения характеристик известных керамических материалов.

Настоящее изобретение относится к керамическому композиционному материалу, состоящему из оксида алюминия и оксида циркония в качестве основных компонентов, а также одной или нескольких неорганических добавок, посредством которых можно оказывать воздействие на свойства керамического композиционного материала. При этом оксид алюминия образует основной компонент с объемным содержанием более 65%, предпочтительно от 85 до 90%, в то время как оксид циркония образует вторичный компонент с объемным содержанием от 10 до 35%. Кроме того, как оксид алюминия, так и оксид циркония могут содержать растворимые составные части. В качестве растворимых составных частей указанные оксиды могут содержать один или несколько следующих элементов: хром (Cr), железо (Fe), магний (Mg), титан (Ti), иттрий (Y), цезий (Се), кальций (Са), лантаниды и/или ванадий (V). Преимущественная часть оксида циркония, предпочтительно от 80 до 99%, особенно предпочтительно от 90 до 99% в пересчете на общее содержание оксида циркония, в исходном состоянии находится в тетрагональной фазе. С целью благоприятного воздействия на трещиностойкость и прочность предлагаемого в изобретении композиционного материала в качестве механизма усиления используют известный фазовый переход оксида циркония из тетрагональной фазы в моноклинную фазу.

Неожиданно было обнаружено, что стабилизация тетрагональной фазы оксида циркония в предлагаемом в изобретении композиционном материале происходит не химическим, а преимущественно механическим путем. В соответствии с этим содержание неорганических химических стабилизаторов в пересчете на содержание оксида циркония ограничивается гораздо более низкими значениями в сравнении с обычно используемыми согласно уровню техники содержаниями. Химическим стабилизатором, предпочтительно используемым согласно уровню техники, обычно является оксид иттрия Y2O3. Другими известными стабилизаторами являются СеO2, СаО и MgO.

Примерами известных рецептур керамических композиционных материалов являются:

Название Y2O3, % мол. в пересчете на диоксид циркония
Y-TZP(1) 2,8 или 3,2
ZTA(2) 1.3
(1) Упрочненный иттрием цирконий
(2) Упрочненный цирконием алюминий

Содержание стабилизатора в предлагаемом в изобретении композиционном материале гораздо ниже по сравнению с используемыми согласно уровню техники содержаниями. Более низкое содержание стабилизатора в предлагаемом в изобретении композиционном материале способствует внедрению оксида циркония в матрицу из оксида алюминия, благодаря чему стабилизируется метастабильная тетрагональная фаза оксида циркония (механическая стабилизация).

Предпосылкой для механической стабилизации является содержание оксида алюминия по меньшей мере 65% об., предпочтительно от 65 до 90% об., при содержании оксида циркония от 10 до 35% об. Особое значение для неожиданно достигаемой согласно изобретению механической стабилизации имеет размер частиц оксида циркония в предлагаемом в изобретении композиционном материале. Средний размер частиц оксида циркония (измеряемый по методу секущих) не должен превышать 0,5 мкм. Средний размер частиц оксида циркония для механически стабилизируемого согласно изобретению композиционного материала предпочтительно находится в интервале от 0,1 до 0,2 мкм, от 0,2 до 0,3 мкм, от 0,3 до 0,4 мкм или от 0,4 до 0,5 мкм, предпочтительно от 0,1 до 0,3 мкм, особенно предпочтительно от 0,15 до 0,25 мкм.

Содержание химических стабилизаторов в предлагаемом в изобретении композиционном материале (соответственно в пересчете на содержание оксида циркония) составляет: Y2O3<1,5% мол., предпочтительно <1,3% мол., СеO2<3% мол., MgO<3% мол., СаО<3% мол. Общее содержание стабилизаторов особенно предпочтительно составляет менее 0,2% мол. Согласно изобретению еще более предпочтительным является отсутствие химических стабилизаторов в механически стабилизированном композиционном материале.

Известно, что материалы, стабилизируемые посредством химических стабилизаторов, в особенности Y2O3, склонны к гидротермальному старению. Самопроизвольное фазовое превращение в случае подобных материалов происходит в присутствии молекул воды при повышенных температурах, например уже при температуре тела. Причиной подобной чувствительности по отношению к воде при повышенных температурах является формирование кислородных вакансий в кристаллической решетке оксида циркония, которые могут быть заняты ионами гидроксида. Подобный эффект называют гидротермальным старением.

Предлагаемый в изобретении композиционный материал обладает гораздо меньшей склонностью к гидротермальному старению по сравнению с материалами, стабилизируемыми благодаря использованию химических стабилизаторов, в частности Y2O3.

Вследствие пониженного содержания химических стабилизаторов кристаллическая решетка оксида циркония в предлагаемом в изобретении композиционном материале содержит пропорционально уменьшенное количество кислородных вакансий. В связи с этим предлагаемый в изобретении композиционный материал в отличие от известных из уровня техники материалов обладает гораздо более низкой чувствительностью к присутствию воды при повышенных температурах и, соответственно, гораздо более низкой склонностью к гидротермальному старению.

Для изготовления предлагаемого в изобретении композиционного материала используют известную обычную для керамических материалов технологию. При этом основными являются, например, следующие технологические операции:

a) приготовление порошковой смеси заданного состава в воде при необходимости с использованием разжижителей во избежание седиментации,

b) гомогенизация в диссольвере (быстроходном перемешивающем устройстве),

c) размол в бисерной мельнице, обеспечивающий повышение удельной поверхности порошковой смеси (соответственно измельчение),

d) возможное добавление органических связующих веществ,

e) распылительная сушка, в результате которой образуется сыпучий гранулят с определенными свойствами,

f) смачивание гранулята водой,

g) аксиальное или изостатическое прессование,

h) дообжиговая обработка посредством режущего инструмента, при которой с учетом происходящей при спекании усадки в максимальной степени формируют конфигурацию конечного изделия,

i) предварительный обжиг, который сопровождается усадкой до плотности, составляющей около 98% от теоретического значения; остающиеся поры замкнуты снаружи,

j) горячее изостатическое прессование при высокой температуре и высоком давлении газа с практически полным окончательным уплотнением,

k) так называемый «белый обжиг», в процессе которого устраняют неравновесное состояние ионов кислорода в керамическом изделии, возникающее при горячем изостатическом прессовании,

l) послеобжиговая обработка путем шлифования и полирования,

m) термическая обработка.

Предлагаемый в изобретении композиционный материал может находить применение, например, для изготовления спекаемых формованных изделий, деталей медицинской техники, способных поглощать энергию при динамическом нагружении, ортезов и эндопротезов, например имплантатов тазобедренных или коленных суставов, сверел, например, для медицинского применения, а также конструкционных элементов, подвергающихся трибологическому, химическому и/или термическому воздействию.

Таким образом, настоящее изобретение относится к композиционному материалу, состоящему из оксида алюминия в качестве керамической матрицы, диспергированного в ней оксида циркония и при необходимости дополнительных добавок, причем:

- в качестве первой фазы композиционный материал содержит по меньшей мере 65% об. оксида алюминия и в качестве второй фазы от 10 до 35% об. оксида циркония, а также при необходимости одну или несколько неорганических добавок, причем преимущественная часть оксида циркония в пересчете на общее содержание оксида циркония предпочтительно от 80 до 99%, особенно предпочтительно от 90 до 99%, находится в виде тетрагональной фазы, и причем стабилизацию преимущественной части тетрагональной фазы оксида циркония осуществляют не химически, а механически.

Особенно предпочтительным является предлагаемый в изобретении композиционный материал, причем:

- средний размер частиц оксида циркония составляет от 0,1 до 0,5 мкм, предпочтительно от 0,15 до 0,25 мкм,

- содержание химических стабилизаторов в пересчете на оксид циркония ограничено значениями, гораздо более низкими по сравнению с соответствующими химическими стабилизаторами, используемыми согласно уровню техники,

- содержание химических стабилизаторов в предлагаемом в изобретении композиционном материале составляет: Y2O3<1,5% мол., предпочтительно <1,3% мол., СеO2<3% мол., MgO<3% мол. и СаО<3% мол., соответственно в пересчете на содержание оксида циркония,

- общее содержание химических стабилизаторов составляет менее 0,2% мол.,

- композиционный материал не содержит химических стабилизаторов,

- оксид алюминия и/или оксид циркония содержат растворимые составные части,

- в качестве растворимых составных частей оксид алюминия и/или оксид циркония содержат один или несколько следующих элементов: хром (Cr), железо (Fe), магний (Mg), титан (Ti), иттрий (Y), цезий (Се), кальций (Са), лантаниды и/или ванадий (V).

Кроме того, настоящее изобретение относится к применению предлагаемого в изобретении композиционного материала:

- для изготовления спекаемых формованных изделий,

- для изготовления деталей, способных поглощать энергию при динамическом нагружении,

- в медицинской промышленности,

- для изготовления искусственных протезов в медицинской промышленности, например для изготовления ортезов и эндопротезов,

- для изготовления имплантатов тазобедренных или коленных суставов.

1. Композиционный материал из оксида алюминия в качестве керамической матрицы и диспергированного в ней оксида циркония, отличающийся тем, что в качестве первой фазы указанный материал содержит по меньшей мере 65 об.% оксида алюминия и в качестве второй фазы от 10 до 35 об.% оксида циркония, причем оксид циркония, в пересчете на общее содержание оксида циркония, от 80 до 99%, находится в виде тетрагональной фазы, а общее содержание химических стабилизаторов для стабилизации тетрагональной фазы оксида циркония составляет менее 0,2 мол.%.

2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что оксид циркония, в пересчете на общее содержание оксида циркония, от 90 до 99%, находится в виде тетрагональной фазы.

3. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что частицы оксида циркония имеют средний размер, составляющий от 0,1 до 0,5 мкм, предпочтительно от 0,15 до 0,25 мкм.

4. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что он свободен от химических стабилизаторов.

5. Композиционный материал по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что оксид алюминия и/или оксид циркония дополнительно содержат растворимые компоненты.

6. Композиционный материал по п. 5, отличающийся тем, что в качестве растворимых компонентов оксид алюминия и/или оксид циркония содержат один или несколько следующих элементов: хром (Cr), железо (Fe), магний (Mg), титан (Ti), иттрий (Y), церий (Се), кальций (Са), лантаниды и/или ванадий (V).

7. Применение композиционного материала по одному из пп. 1-6 для изготовления спекаемых формованных изделий, для изготовления деталей, способных поглощать энергию при динамическом нагружении, в медицинской промышленности, для изготовления искусственных протезов в медицинской промышленности, например для изготовления ортезов и эндопротезов или для изготовления имплантатов тазобедренных или коленных суставов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композиционному материалу, состоящему из матрицы оксида алюминия и диспергированного в ней оксида циркония, и может быть использовано для изготовления искусственных протезов.
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может использоваться для изготовления высокотемпературных материалов с пониженной теплопроводностью. .
Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, в частности к материалам, армированным дискретными частицами, для изготовления изделий, обладающих высокими прочностными свойствами.

Изобретение относится к области электронно-лучевой обработки материалов и может найти применение при изготовлении изделий на основе керамических материалов в инструментальной промышленности.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению композиционного керамического материала на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений для применения в условиях, которые требуют высокой прочности, твердости и окислительной стойкости: для изготовления режущего инструмента, чехлов термопар для контроля температуры расплавов металлов, сопловых насадок для пескоструйных аппаратов, в нефте- и газодобывающей промышленности.
Изобретение относится к области композиционных керамических материалов, в частности к материалам, армированным дискретными керамическими волокнами, которые могут быть использованы в космической, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к производству керамики, а именно к составам шихты для изготовления керамики конструкционного и инструментального назначения. .

Изобретение относится к получению по ристой теплоизоляционной керамики на основе двуокиси циркония. .

Изобретение относится к аэрогелям, кальцинированным изделиям и изделиям с кристаллической структурой, содержащим ZrO2, и может найти применение в стоматологии. Способ получения аэрогеля включает стадии, на которых обеспечивают первый золь диоксида циркония, содержащий частицы кристаллического оксида металла, характеризующиеся средним размером первичных частиц не более чем 50 нанометров, добавляют радикально реакционно-способный модификатор поверхности к золю диоксида циркония с получением радикально полимеризуемого поверхностно-модифицированного золя диоксида циркония, добавляют инициатор радикальной полимеризации, нагревают с образованием геля, экстрагируют спирт, если присутствует, из геля посредством сверхкритической экстракции с получением аэрогеля.

Изобретение относится к композиционному материалу, состоящему из матрицы оксида алюминия и диспергированного в ней оксида циркония, и может быть использовано для изготовления искусственных протезов.
Изобретение относится к области производства керамических конструкционных и функциональных материалов. Для получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония проводят стабилизацию в тетрагональной фазе диоксида циркония механическим способом: смешивают в активаторе соль циркония и стабилизатор (соль редкоземельного элемента), затем смесь термообрабатывают при температуре 500-600°C в течение 1-3 часов.
Изобретение относится к получению композиционного алюмоциркониевого керамического материала, который обладает плотной структурой и может применяться в медицине для изготовления имплантатов и медицинских инструментов.

Изобретение относится к технологиям получения керамических материалов, в частности к способам легирования керамики, и может быть использовано в области электротехники и машиностроения для изготовления высокопрочных керамических изделий.

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к износостойкому композиционному керамическому наноструктурированному материалу на основе оксида алюминия, который может быть использован для изготовления режущего инструмента и износостойких деталей для машиностроения.
Изобретение относится к области производства ударостойкой керамики и может быть использовано для изготовления керамических бронеэлементов. Технический результат изобретения - разработка шихты для изготовления керамического материала с твердостью и прочностью, достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок.
Изобретение относится к керамическим материалам, которые пригодны для динамических нагрузок и могут быть использованы для изготовления броней и плит при обстреле.

Изобретение относится к получению пористого материала из керамики на основе оксида алюминия и может быть использовано в химической промышленности, в том числе в агрессивных средах при повышенных температурах, для изготовления носителей катализаторов, в водоподготовке, а также в медицине для изготовления пористых керамических имплантатов.
Изобретение относится к способу получения циркониевого электрокорунда, используемого для производства абразивного инструмента на гибкой основе и шлифкругов на органической связке.

Изобретение относится к получению керамических композитов с нулевым коэффициентом термического линейного расширения, предназначенных для изготовления, в частности, запорных элементов нефтегазового комплекса. Техническим результатом изобретения является получение керамического композита с нулевым коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР) и высокими физико-механическими свойствами. Способ получения керамического композита включает приготовление порошковой смеси из оксида циркония и/или оксида алюминия, c наноструктурным вольфраматом циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%: вольфрамат циркония 5-15, оксид циркония и/или оксид алюминия - остальное, формование заготовки и спекание. Спекание проводят при температуре 1350-1550°C, затем дополнительно осуществляют закалку при температуре 1175-1200°C, с последующим охлаждением со скоростью 200-250°C/сек. Для приготовления порошковой смеси используют диоксид циркония, стабилизированный 3-5 мас. % Y2O3, с содержанием моноклинной фазы ZrO2 не более 10%. Формование заготовки проводят холодным или горячим прессованием. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
Наверх