JP2010524833A - セラミック材料 - Google Patents

Abstract

酸化アルミニウムからなる焼結成形体から知られている特性は、硬度、老化安定性、水に対する湿潤特性ならびに高い熱伝導性であり、酸化ジルコニウムからなる焼結体から知られている特性は、高い強度及び高い破壊靱性、つまり損傷許容性である。これらの特性全てが統合されたセラミック材料を得るために、高い割合の酸化アルミニウムならびに酸化ジルコニウムおよび場合によりアルミン酸ストロンチウムからなる材料を提案する。

Description

本発明は、セラミック材料に関する。

セラミック材料は、多数の応用の可能性を提供する。セラミック材料の組成は、特定の元素および／または元素の化合物を適切に添加することによって、そのつど意図される使用に合わせて調整することができる。酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムはたとえば、単独で、または相互に組み合わされて特に切断工具、触媒用担体または人工機能補完装具へと加工されるセラミック材料である。

硬度、老化安定性、水に対する湿潤特性ならびに高い熱伝導性は酸化アルミニウムからなる焼結成形体から知られている特性であり、高い強度及び高い破壊靱性、つまり損傷許容性は酸化ジルコニウムからなる焼結体から知られている特性である。

本発明の課題は、両材料の特性が統合されたセラミック材料を提供することである。

意外なことに、焼結体中で以下の組成の酸化アルミニウム材料は、特にメディカルエンジニアリング分野における適用のための材料として、たとえば人工股関節および人工膝関節のような矯正器および内部人工器官を製造するために適切であることが判明した。

相応して合計して１００質量％までが酸化アルミニウムである。

このような材料の組み合わせの主要な構成成分は酸化アルミニウムである。従って特性を決定する特徴、たとえば硬度、弾性率および熱伝導性は、純粋な酸化アルミニウムの特性と緊密な関わりがある。酸化ジルコニウムおよび場合によりアルミン酸ストロンチウムの成分は、酸化アルミニウムマトリックス中に混合されている。原料は有利には高純度で使用する。原料の高い純度によって粒界相の形成はごく僅かな範囲となる。アルミン酸ストロンチウムは特徴的なフレーク状の微結晶、プレートレットを形成し、これらは実質的に強度の向上に貢献する。

酸化ジルコニウムおよびアルミン酸ストロンチウムの成分は、破壊靱性の向上に貢献し、この靱性は純粋な酸化アルミニウムの場合よりも約６０％高い。これらの強化成分によって強度はほぼ２倍上昇し、同時に損傷許容性、つまり損傷の可能性があっても依然として高い残留強度を維持する部材の特性が向上する。

該材料から製造された焼結体の機械的負荷が高い場合に、意外にも、たとえば亀裂の拡大を食い止めるか、または停止するメカニズムが活性化される。この場合に最も重要なメカニズムは、応力に誘発されて酸化ジルコニウムが正方晶相から単斜晶相へと変換されることである。この変換に伴う酸化ジルコニウムの体積の増大は、局所的な圧縮応力の形成をもたらし、これが外部の引張荷重に対抗し、亀裂の成長が妨げられる。

内部に組み込まれたプレートレットによって、意外にも亀裂はそらされて、亀裂が拡大する際の付加的なエネルギーが吸収される。

本発明による材料の特殊性は、両方のメカニズムが互いに強化しあう結果、破壊靱性の効果的な向上が、単にそれぞれのメカニズムを追加することから予測されるよりも大きいことである。

有利な材料組成とこれらの特性は以下に記載されている：

Ａ１_２Ｏ_３の含有率は、７２．６５質量％〜７４．５４質量％となる。原料において不可避的な不純物（＜０．０５質量％）も考えられるが、その割合は僅かであるために、特に記載されていない。

本発明による材料からの焼結成形体の製造は、慣用のセラミック技術を用いて行う。実質的なプロセス工程は以下のとおりである：
ａ）規定の組成の粉末混合物を水に加え、沈殿を回避するための液化剤を使用する。

ｂ）溶解機（高速攪拌機）中で均質化する。

ｃ）攪拌ボールミル中で粉砕し、その際、粉末混合物の比表面積が向上される（＝粉砕）。

ｄ）有機結合剤を添加する。

ｅ）噴霧乾燥し、その際、規定された特性を有する流動性の顆粒が生じる。

ｆ）該顆粒を水で濡らす。

ｇ）軸方向で、またはアイソスタチックに加圧する。

ｈ）成形体を切削加工し、その際、焼結収縮を考慮してほぼ最終的な形状を構成する。

ｉ）前焼成し、その際、理論密度の約９８％に収縮する。依然として残留している残りの気孔を外部から閉鎖する。

ｊ）高温および高いガス圧でのホットアイソスタチックプレスにより実質的に完全な最終緻密化を行う。

ｋ）いわゆるホワイト焼成（Ｗｅｉｓｓｂｒａｎｄ）を行うことにより、ホットアイソスタチックプレスによって生じたセラミック中の酸素イオンの不均一性を均一化する。

ｌ）研磨およびポリッシングにより機械加工（ハードマシニング）を行う。

ｍ）熱処理をする。

本発明による材料からなる焼結成形体の特性は、混合によってさらに増強することができる。たとえば焼結成形体を成形する前に、材料中にウィスカおよび／または繊維を混合するか、または焼結前の状態で網状の構造物またはメッシュを材料に組み込むことが可能である。ウィスカ、繊維またはネットまたはメッシュは、セラミック材料との相互作用によりセラミック材料の特性を低下させることのない材料でなくてはならない。さらに、該材料は焼結の間に、材料が損傷されて変化するものであってはならない。

本発明による材料から製造される焼結成形体は、意外にも、特にインプラント用の適用のために、それ自体は競合するセラミック材料である酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムのそれぞれの最も良好な特性が一体となっている。硬度、老化安定性、水に対する湿潤特性および高い熱伝導率は、酸化アルミニウムからなる焼結成形体から公知の特性であり、高い強度および高い破壊靱性、つまり高い損傷許容性は、酸化ジルコニウムからなる焼結成形体から公知の特性である。

Claims (15)

1. セラミック材料において、Ａ１_２Ｏ_３を７２〜８２質量％、ＺｒＯ_２を２８〜１８質量％、Ｃｒ_２Ｏ_３を０〜１質量％、Ｙ_２Ｏ_３を０〜６質量％、ＳｒＯを０〜２質量％、ＴｉＯ_２を０〜０．５質量％およびＭｇＯを０〜０．５質量％含有していることを特徴とするセラミック材料。
2. ＺｒＯ_２を２４．０〜２５．５質量％、Ｃｒ_２Ｏ_３を０．２６〜０．３５質量％、Ｙ_２Ｏ_３を０．５０〜０．６質量％、ＳｒＯを０．７０〜０．８５質量％ならびに合計して１００質量％までのＡ１_２Ｏ_３を含有していることを特徴とする、請求項１記載のセラミック材料。
3. ４点曲げ強度が１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項２記載のセラミック材料。
4. 破壊靱性Ｋ_ＩＣが、５．５ＭＰａｍ^０．５以上であることを特徴とする、請求項２または３記載のセラミック材料。
5. ワイブル係数が７以上であることを特徴とする、請求項２から４までのいずれか１項記載のセラミック材料。
6. 硬度ＨＶ１０が、１７４０以上であることを特徴とする、請求項２から５までのいずれか１項記載のセラミック材料。
7. 密度ＥＤ２０００が、４．３６０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする、請求項２から６までのいずれか１項記載のセラミック材料。
8. さらに適切な材料からなるウィスカおよび／または繊維または網状の構造体またはメッシュが添加されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のセラミック材料。
9. 酸化ジルコニウムおよびアルミン酸ストロンチウムの成分が、酸化アルミニウムマトリクス中に混合されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載のセラミック材料。
10. アルミン酸ストロンチウムがフレーク状の微結晶、プレートレットの形で存在していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のセラミック材料。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載のセラミック材料から得られる焼結成形体。
12. 焼結成形体を製造するための請求項１から１０までのいずれか１項記載のセラミック材料の使用。
13. メディカルエンジニアリングにおける請求項１から１０までのいずれか１項記載のセラミック材料の使用。
14. 矯正器および内部人工器官を製造するための請求項１から１０までのいずれか１項記載のセラミック材料の使用。
15. 人工股関節および人工膝関節を製造するための請求項１から１０までのいずれか１項記載のセラミック材料の使用。