CN100372807C - 一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,它涉及纳米陶瓷材料的成形工艺。为了解决陶瓷复杂形状加工困难的问题,本发明纳米陶瓷成形人工关节按照下述步骤进行制备:a、采用热压烧结方法对Al2O3/ZrO2复合粉、ZrO2/HAP复合粉进行烧结,制备纳米陶瓷块体;b、采用闭式模锻方法在高温下进行陶瓷的成形。本发明对纳米陶瓷进行二次加工,成形复杂结构件,解决了陶瓷复杂形状加工困难的问题,同时具有近净成型的优点。本材料成形工艺简单,模具易于加工且成本较低,成形后的陶瓷件具有无余量或很小余量加工,大大节约加工成本,缩短加工周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米生物陶瓷成形人工关节的工艺方法。
背景技术
生物陶瓷材料要求具有较高的生物弹性、生物相容性及稳定的化学特性。利用这些特性可制成各种组织和器官,用于人体的修复或替换。但陶瓷的加工极其困难,尤其是复杂形状陶瓷的加工难度极大。加工的困难已经阻碍了它在实际中的应用。
采用热压烧结方法制备陶瓷材料,通常对获得规则形状的陶瓷块体或构件是可行的。然而对于复杂形状的陶瓷结构件,由于烧结时受粉体流动性的特点,烧结时粉体难以到达复杂型腔的内部并达到致密度,通过技术方法解决了这一难点,也会在复杂部位由于内应力大及陶瓷的脆性而出现断裂。目前对复杂形状陶瓷件的加工通常采用机械磨削的方法,显然这种方法具有很大的局限性。不同角度和弧度都需要单独制作一个砂轮,经分段磨削而成。即便如此,很多构件因形状复杂而无法加工,限制了其应用。
采用高温闭式模锻方法对陶瓷进行成形,属一种陶瓷精密成形的方法,拓展了陶瓷成形领域。通过高温下的闭式模锻等成形方法可成形不同形状、尺寸的结构件。成形人工关节等复杂形状精密纳米陶瓷件,表面无裂纹,内部流线连续。该工艺具有近净成型的优点,通过合理控制成形速率可实现陶瓷无余量或较小余量加工,实现陶瓷材料的高精度精密成形。该成形工艺将为难成形材料的加工提供一种新的思路和方法。
发明内容
为了解决复杂形状陶瓷件的制备及加工困难问题,本发明提供一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法。
本发明按照如下步骤成形纳米生物陶瓷人工关节:a、纳米陶瓷粉体的制备:按照化学沉淀法分别制备Al2O3、ZrO2及羟基磷灰石(HAP)纳米粉;b、采用热压烧结方法制备纳米生物陶瓷的块体:将上述纳米陶瓷粉装入模具内,采用热压烧结方法对其进行制备,控制热压烧结参数为:Al2O3/ZrO2的烧结温度为1450~1500℃,ZrO2/HAP的烧结温度为1250~1300℃;烧结压力为15~30MPa;保压时间为30~60分钟;c、采用闭模锻造方法制备人工关节:将烧结后的坯料,装入模具中进行高温闭式模锻。
本发明基于闭式模锻的机理,结合纳米陶瓷的高温超塑特性,提出成形人工关节的工艺方法。将制备好的陶瓷块体放入成形模具中,在成形温度为1300~1600℃、成形速率为1.33×10-4-1.33×10-3s-1条件下,进行纳米陶瓷闭式模锻,完成陶瓷块体的精密成形。
与其他陶瓷加工手段相比,该工艺成形的陶瓷构件具有近净成型的优点,加工余量小,构件的材料组织表面无裂纹,内部流线连续。该构件的成功成形,可解决其成形困难问题,加速其实用化进程,使之作为一种新型的高温陶瓷材料的成形工艺,在工业产品上得以应用。
按照上述工艺过程要求制备的陶瓷材料的晶粒尺寸为50-500nm。材料具有良好的高温塑性。本发明成形工艺简单,模具加工易于实现且低成本,材料制备和成形在同一设备上即可实现,加工余量少,成形周期缩短1/3-1/2,节约加工费用30%以上。
根据陶瓷的组成、加工工艺、微观结构以及晶粒尺寸等因素,纳米陶瓷的高温延伸率高于50%,晶粒尺寸为50-500nm,在成形温度1300~1600℃、成形速率为1.33×10-4-1.33×10-3s-1条件下,纳米陶瓷材料可以成形人工关节等复杂结构件。
与陶瓷磨削工艺相比,纳米生物陶瓷的成形积极材料特性分别如表1、表2所示。
表1纳米生物陶瓷成形特性
制备工艺 | 简单形状 | 规则形状 | 复杂规则形状 | 成形时间 | 成形成本 |
本工艺 | 烧结即可实现 | 可以实现 | 可以实现 | 1~10小时 | 60~70% |
磨削工艺 | 可以实现 | 配备不同的砂轮,可以实现 | 较难或无法实现 | 简单形状时间短;复杂形状时间较长 | 100% |
表2纳米生物陶瓷的材料特性
粉体粒径(nm) | 晶粒尺寸(nm) | 高温延伸率(%) | 成形速率(s<sup>-1</sup>) | 致密度 | |
制各及成形工艺 | 50-200 | 100-500 | >80 | 1.33×10<sup>-4</sup>-1.33×10<sup>-2</sup> | >95 |
本发明对纳米陶瓷进行二次加工,成形复杂结构件,解决了陶瓷复杂形状加工困难的问题,同时具有近净成型的优点。本材料成形工艺简单,模具易于加工且成本较低,成形后的陶瓷件具有无余量或很小余量加工,大大节约加工成本,缩短加工周期。
附图说明
图1为纳米生物陶瓷烧结及成形的温度及压力工艺过程示意图;图2为纳米生物陶瓷的热压烧结模具的示意图,其中:1-压头,2-模套,3-垫片,4-粉体,5-模具;图3为纳米生物陶瓷成形模具的示意图,其中:6-导向筒,7-坯料,8-组合凹模。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式按照如下步骤完成纳米生物陶瓷材料的制备及成形工艺:
1、采用醇-水溶液加热法制备Al2O3、ZrO2纳米粉。在醇-水溶液加热时,溶液中产生凝胶状沉淀,发生如下水解反应:
4ZrOCl2+6H2O→Zr4O2(OH)8Cl4+4HCl(1),
Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+(2)。
将Al(NO3)3·9H2O、ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3·6H2O按摩尔比配成一定摩尔浓度的混合液,醇水比5∶1加入无水乙醇,并加入一定量的聚乙二醇200和聚乙二醇1540作为分散剂。将此溶液置于恒温水浴锅中缓慢加热至75℃,保温6小时,制得白色溶胶。采用NH4HCO3作为沉淀剂,在电磁搅拌器上完成室温沉淀过程。在轻微搅拌的同时将盐溶液以3ml/min的速度滴入NH4HCO3溶液的烧瓶中以获得前驱物沉淀。将合成的悬浮液陈化12小时后过滤,然后用蒸馏水洗涤凝胶至3mol/lAgNO3溶液检测不出Cl-,再用无水乙醇洗3遍。将胶体放入坩埚内,在150℃干燥,经研磨和煅烧后得到Al2O3/ZrO2纳米粉体,粉体粒径为50~150nm。
2、采用热压烧结方法对Al2O3/ZrO2粉进行热压烧结。
将Al2O3/ZrO2粉装入图2石墨模具中进行热压烧结,图1为纳米生物陶瓷的热压烧结工艺及闭式模锻工艺示意图。热压烧结参数为:烧结温度为1450~1500℃,烧结压力为15~30MPa;保压时间为30~60分钟。整个工艺过程始终在真空或惰性气体保护中进行。
3、采用闭式模锻成形人工关节
将制备好的纳米陶瓷块体装入图3模具中进行人工关节的成形。成形温度为1300~1600℃,成形速率为1.33×10-4-1.33×10-3s-1,直至陶瓷材料充满型腔完成成形工艺。所述制备的陶瓷块体具有超细晶(50~600nm)组织。
本实施方式中,所述纳米粉Al2O3和ZrO2的纯度≥98%。
本实施方式中,所述纳米粉体Al2O3和ZrO2的粒度大小为50~150nm。
本实施方式中,所述Al2O3/ZrO2复合粉按照摩尔百分比的配比由Al2O3:75-85%、ZrO2:15-25%组成。
具体实施方式二:本实施方式按照如下步骤完成纳米生物陶瓷材料的制备及成形工艺:
1、采用化学沉淀法制备羟基磷灰石HAP粉体。
羟基磷灰石的化学反应方程式如下:
(NH4)2HPO4+NH3·H2O→(NH4)3PO4+H2O(3),
3(NH4)3PO4+NH3·H2O→(NH4)10(PO4)3OH(4),
2(NH4)10(PO4)3OH+10Ca(NO3)2→Ca10(PO4)6(OH2+20NH4NO3(5)。
总方程式为:
10Ca(NO3)2·4H2O+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O(6)。
按照羟基磷灰石中钙磷比为n(Ca)/n(P)=1.67配制一定浓度的(NH4)2HPO4溶液和Ca(NO3)2溶液。其中Ca(NO3)2·4H2O用无水乙醇配制,(NH4)2HPO4用去离子水配制。根据公式(6),将两种溶液进行化学反应。先在烧杯中放入Ca(NO3)2溶液,然后加入少量(NH4)2HPO4溶液,使反应混合液中产生HAP晶核,然后按照10ml/min的速度滴加(NH4)2HPO4溶液,随着反应的进行,随时滴加氨水,维持反应液的PH值在10.5-11.0之间。待反应完毕后,强力搅拌反应2小时,然后陈化24小时,倾去上层清液,用去离子水洗涤并过滤两次,再用无水乙醇洗涤并过滤两次,直至沉淀物为中性。将所得糊状沉淀物在干燥箱中90℃干燥24小时,得到HAP纳米粉体,粉体粒径为80~150nm。
2、采用热压烧结方法对Al2O3/ZrO2、ZrO2/HAP粉进行热压烧结。
将ZrO2/HAP粉装入图2石墨模具中进行热压烧结。热压烧结参数为:烧结温度为1250~1300℃;烧结压力为15~30MPa;保压时间为30~60分钟。整个工艺过程始终在真空或惰性气体保护中进行。
3、采用闭式模锻成形人工关节
将制备好的纳米陶瓷块体,装入图3模具中进行人工关节的成形。成形温度为1300~1600℃,成形速率为1.33×10-4-1.33×10-3s-1,直至陶瓷材料充满型腔完成成形工艺。所述制备的陶瓷块体具有超细晶(50~600nm)组织。
本实施方式中,所述纳米粉ZrO2及羟基磷灰石的纯度≥98%。
本实施方式中,所述纳米粉体ZrO2及羟基磷灰石的粒度大小为50~150nm。
本实施方式中,所述ZrO2/羟基磷灰石复合粉按照质量百分比的配比由ZrO2:85-95%、羟基磷灰石:5-15%组成。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一、二不同的是,根据材料的不同配比,纳米生物陶瓷的成分配比见表3。
表3纳米生物陶瓷成形人工关节的成分配比(%)
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 82 | 80 | - | - |
ZrO<sub>2</sub> | 18 | 20 | 95 | 90 |
HAP | - | - | 5 | 10 |
注:Al2O3∶ZrO2为摩尔分数比;ZrO2∶HAP为质量分数比。
Claims (8)
1.一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述方法为:a、纳米陶瓷粉体的制备:按照化学沉淀法分别制备Al2O3及ZrO2纳米粉;b、采用热压烧结方法制备纳米生物陶瓷的块体:将Al2O3和ZrO2纳米陶瓷粉装入模具内,采用热压烧结方法对其进行制备,控制热压烧结参数为:烧结温度为1450~1500℃,烧结压力为15~30MPa;保压时间为30~60分钟;c、采用闭模锻造方法制备人工关节:将烧结后的坯料,装入模具中进行高温闭式模锻,控制成形温度为1300~1600℃,成形速率为1.33×10-4~1.33×10-3s-1。
2.根据权利要求1所述的一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述纳米粉Al2O3和ZrO2的纯度≥98%。
3.根据权利要求1所述的一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述纳米粉体Al2O3和ZrO2的粒度大小为50~150nm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述Al2O3/ZrO2复合粉按照摩尔百分比的配比由Al2O3:75-85%、ZrO2:15-25%组成。
5.一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述方法为:a、纳米陶瓷粉体的制备:按照化学沉淀法分别制备ZrO2及羟基磷灰石(HAP)纳米粉;b、采用热压烧结方法制备纳米生物陶瓷的块体:将ZrO2和羟基磷灰石纳米陶瓷粉装入模具内,采用热压烧结方法对其进行制备,控制热压烧结参数为:烧结温度为1250~1300℃;烧结压力为15~30MPa;保压时间为30~60分钟;c、采用闭模锻造方法制备人工关节:将烧结后的坯料,装入模具中进行高温闭式模锻,控制成形温度为1300~1600℃,成形速率为1.33×10-4~1.33×10-3s-1。
6.根据权利要求5所述的一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述纳米粉ZrO2及羟基磷灰石的纯度≥98%。
7.根据权利要求5所述的一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述纳米粉体ZrO2及羟基磷灰石的粒度大小为50~150nm。
8.根据权利要求5所述的一种纳米生物陶瓷人工关节的成形方法,其特征在于所述ZrO2/羟基磷灰石复合粉按照质量百分比的配比由ZrO2:85-95%、羟基磷灰石:5-15%组成。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106007684A (zh) * | 2016-05-31 | 2016-10-12 | 四川大学 | 一种石墨烯氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法 |
CN110014112A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-07-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种脉冲电流辅助微成形模具及方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003112974A (ja) * | 2000-10-18 | 2003-04-18 | National Institute For Materials Science | 配向性セラミックス焼結体およびその製造方法 |
CN1702054A (zh) * | 2005-06-24 | 2005-11-30 | 祝卫 | 氧化锆增韧氧化铝陶瓷缸套 |
CN1709829A (zh) * | 2005-06-29 | 2005-12-21 | 上海大学 | 羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料及其制备方法 |
CN1765831A (zh) * | 2005-09-06 | 2006-05-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种薄陶瓷膜片的制备方法 |
US20060135340A1 (en) * | 2002-07-30 | 2006-06-22 | Cheang Hong N P | Spherical nano-composite powder and a method of preparing the same |
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003112974A (ja) * | 2000-10-18 | 2003-04-18 | National Institute For Materials Science | 配向性セラミックス焼結体およびその製造方法 |
US20060135340A1 (en) * | 2002-07-30 | 2006-06-22 | Cheang Hong N P | Spherical nano-composite powder and a method of preparing the same |
CN1702054A (zh) * | 2005-06-24 | 2005-11-30 | 祝卫 | 氧化锆增韧氧化铝陶瓷缸套 |
CN1709829A (zh) * | 2005-06-29 | 2005-12-21 | 上海大学 | 羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料及其制备方法 |
CN1765831A (zh) * | 2005-09-06 | 2006-05-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种薄陶瓷膜片的制备方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101347358B (zh) * | 2008-09-10 | 2012-04-25 | 哈尔滨工业大学 | 带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法 |
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