KR20100017312A - 세라믹 재료 - Google Patents

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Abstract

경성, 노화 내성, 물과 관련된 습윤화 성향 및 높은 열 전도성은 알루미늄 옥사이드로 이루어진 소결된 몰딩으로부터 공지된 특성이고, 높은 강도 및 크랙에 대한 높은 내성, 즉, 손상 내성은 지르코늄 옥사이드로 이루어진 소결된 몰딩으로부터 공지된 특성이다. 모든 상기 특성이 조합된 세라믹 재료를 얻기 위해서, 본 발명은 대부분이 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 및 임의의 스트론튬 알루미네이트로 구성된 재료를 개시하고 있다.

Description

세라믹 재료{Ceramic material}
본 발명은 세라믹 재료에 관한 것이다.
세라믹 제료는 광범위한 가능한 적용 범위를 제공한다. 이들의 조성은 이들의 특정의 구성요소 및/또는 화합물의 표적된 첨가에 의해서 이들의 의도된 용도에 적합하게 될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 옥사이드 및 지르코늄 옥사이드가 개별적으로 또는 서로 조합된 상태로 절단 툴, 촉매 지지체 또는 보철로 가공될 수 있는 세라믹 재료이다.
경성, 노화 내성, 물과 관련된 습윤화 성향 및 높은 열 전도성은 알루미늄 옥사이드의 소결된 몰딩으로부터 공지된 성질이고, 높은 강도 및 높은 파괴인성(fracture thoughness), 즉, 손상 내성은 지르코늄 옥사이드의 소결된 몰딩으로부터 공지된 성질이다.
본 발명의 목적은 두 재료의 성질을 조합하는 세라믹 재료를 제공하는 것이다.
놀랍게도, 소결된 콤팩트 상태의 하기 조성의 알루미늄 옥사이드 재료가, 특히, 의료 기술 분야에서의 사용, 예를 들어, 보조기(orthosis) 및 인공삽입물(endoprosthesis), 예컨대, 고관절 임플란트 및 무릎 관절 인플란트의 생산을 위한 재료로서 적합하다는 것이 밝혀졌다.
재료 중량% 중량%
ZrO2 18 28
Cr2O3 0 1
Y2O3(ZrO2에 대해) 0 6
SrO 0 2
TiO2 0 0.5
MgO 0 0.5
알루미늄 옥사이드가 100중량%가 되게 첨가됨.
이러한 유형의 재료 조합의 우세한 구조 성분은 알루미늄 옥사이드이다. 따라서, 성질-결정 특징, 예컨대, 경도, 탄성 모듈 및 열 전도성이 순수한 알루미늄 옥사이드의 성질과 아주 유사하다. 성분들, 즉, 지르코늄 옥사이드와 임의의 스트론튬 알루미네이트가 알루미늄 옥사이드 매트릭스내에 내재된다. 원료는 바람직하게는 높은 순도로 사용된다. 원료의 높은 순도에 의해서, 그레인-경계 상(grain-boundary phase)이 단지 극히 작은 범위로 형성된다. 스트론튬 알루미네이트는 특성 판형 결정, 소형판(platelet)을 형성하며, 이는 강도 증가에 현저하게 기여한다.
성분들, 즉, 지르코늄 옥사이드와 스트론튬 알루미네이트는 순수한 알루미늄 옥사이드의 경우에 비해서 약 60% 더 높은 파괴인성의 증가에 기여한다. 이들 강화 성분은 거의 2배의 강도증가를 유도하며, 동시에 손상 내성, 즉, 가능한 손상에도 높은 잔류 강도를 보유하도록 성분의 성질을 또한 증가시킨다.
그러한 재료로부터 제조된 소결된 콤팩트(compact)가 높은 기계적인 응력하에 있는 경우, 예를 들어, 크랙(crack)의 전파를 억제하거나 중지시키는 메카니즘이 놀라울 정도로 활성화된다. 가장 중요한 메카니즘은 정방정계에서 단사정계 상으로의 지르코늄 옥사이드의 응력-유도된 전환이다. 전환과 연관된 지르코늄 옥사이드의 용적 팽창은 국소 압축 응력의 형성을 초래하고, 이는 외부 장력 부하에 대항하며, 그에 의해서 크랙의 성장이 방지된다.
놀랍게도, 크랙 경로는 내재된 소형판에 의해서 편향되고, 그로 인해서 추가의 에너지가 크랙 전파 동안 흡수된다.
두 가지의 메카니즘이 서로 상호강화시켜서 파괴인성의 효과적인 증가가 각각의 메카니즘의 단순한 추가로부터 예상될 수 있는 증가에 비해서 훨씬 더 크다는 것이 본 발명에 따른 재료의 특별한 특징으로 여겨질 수 있다.
바람직한 재료 조성이 그 성질과 함께 이하 기재되어 있다:
배치, PL 명세 ZrO2 Y2O3 Cr2O3 SrO ED 2000 4-포인트 강도 최소 파괴 강도 웨이블 모듈 HV10 모노 Klc 그레인 크기
중량% 중량% 중량% 중량% g/cm3 MPa MPa - - % MPa m0.5 ㎛
최소 24.0 0.50 0.26 0.70 4.360 1000 700 7 1740 10 5.5 중간
최대 25.5 0.65 0.35 0.85 ≥ ≥ ≥ ≥ ≤ ≥ 0.58
72.65중량% 내지 74.54중량%의 Al2O3 함량은 균형을 맞춘다. 원료에 기인한 불순도(<0.05중량%)가 가능하지만, 이들의 작은 비율로 인해서 별도로 기재하지 않는다.
본 발명의 재료로부터의 소결된 몰딩의 생산은 통상의 세라믹 기술에 의해서 수행된다. 필수 공정 단계는 다음과 같다:
a) 액화기를 사용하여 침강을 억제하면서 분말 혼합물을 특정된 조성으로 물에 첨가하는 단계.
b) 고속 혼합기에서 균질화시키는 단계.
c) 어트리션 밀(attrition mill)에서 분쇄하여 분말 혼합물의 비표면적을 증가시키는 단계(=분쇄 단계).
d) 유기 결합제 첨가 단계.
e) 스프레이 건조시켜서 확정된 성질을 지니는 자유-흐름 과립을 생성시키는 단계.
f) 과립을 물로 습화시키는 단계.
g) 축방향으로 또는 평행하게 압축하는 단계.
h) 소결시의 수축을 고려한 최종 윤곽을 대체로 형성시키는 그린 가공(green machining) 단계.
i) 약 98%의 이론적인 밀도로 수축이 발생하며 어떠한 잔류 기공이 외부에 대해서 폐쇄되는 프리-파이어링(pre-firing) 단계.
j) 거의 완전한 최종 압축을 유도하는 고온 및 고압에서의 고온 평형 압축(hot isostatic pressing) 단계.
k) 고온 평형 압축 동안에 생성된 세라믹중의 산소 이온의 불균형의 균등화를 유도하는 소위 화이트 파이어링(white firing) 단계.
l) 그라인딩 및 폴리싱에 의한 하드 머시닝(hard machining) 단계.
m) 어닐링(annealing) 단계.
본 발명에 따른 재료로 제조된 소결된 몰딩의 성질은 함유물에 의해서 추가로 강화될 수 있다. 따라서, 소결된 콤팩트를 성형하기 전에 재료 내로 휘스커(whisker) 및/또는 섬유를 혼합하거나, 그린(green) 상태에 있는 재료내로 그물-유사 구조물 또는 직포를 혼입시키는 것이 가능하다. 휘스커, 섬유 또는 그물 또는 직포는 세라믹 재료의 성질을 손상시키는 방식으로 세라믹 재료와 상호작용하지 않는 물질로 제조되어야 한다. 추가로, 그러한 물질은 재료를 손상시키는 방식으로 소결 동안 변화되지 않아야 한다.
본 발명에 따른 재료로부터 제조된 소결된 몰딩은 놀랍게도 임플란트 적용을 위한 본질적으로 경쟁관계에 있는 세라믹 재료, 즉, 알루미늄 옥사이드와 지르코늄 옥사이드 각각의 최상의 성질을 조합하고 있다: 경성, 노화 내성, 물과 관련된 습윤화 성향 및 높은 열 전도성은 알루미늄 옥사이드의 소결된 몰딩으로부터 공지된 성질이고, 높은 강도 및 높은 파괴인성, 즉, 손상 내성은 지르코늄 옥사이드의 소결된 몰딩으로부터 공지된 성질이다.

Claims (15)

  1. 72 내지 82중량%의 Al2O3, 28 내지 18중량%의 ZrO2, 0 내지 1중량%의 Cr2O3, 0 내지 6중량%의 Y2O3, 0 내지 2중량%의 SrO, 0 내지 0.5중량%의 TiO2 및 0 내지 0.5중량%의 MgO를 함유함을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  2. 제 1항에 있어서, 24.0 내지 25.5중량%의 ZrO2, 0.26 내지 0.35중량%의 Cr2O3, 0.50 내지 0.6중량%의 Y2O3, 0.70 내지 0.85중량%의 SrO, 및 100중량%가 되게 하는 Al2O3를 함유함을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  3. 제 2항에 있어서, 4-포인트 굴곡 강도(4-point flexural strength)가 ≥1000MPa임을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 파괴인성 KIC가 ≥5.5MPam0 .5임을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 웨이불 모듈(Weibull modulus)이 ≥7임을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 경도 HV10이 ≥1740임을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  7. 제 2항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 밀도 ED2000이 ≥4.360g/cm3임을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 적합한 물질로 제조된 휘스커(whisker) 및/또는 섬유 또는 그물-유사 구조물 또는 직포(woven fabric)가 재료에 추가적으로 산재됨을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 성분들, 즉, 지르코늄 옥사이드와 스트론튬 알루미네이트가 알루미늄 옥사이드 매트릭스에 내재됨을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 스트론튬 알루미네이트가 판형 결정, 소형판의 형태로 존재함을 특징으로 하는 세라믹 재료.
  11. 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료로부터 얻을 수 있는 소결된 몰딩.
  12. 소결된 몰딩을 생성시키기 위한 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료의 용도.
  13. 의료 기술에서의 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료의 용도.
  14. 보조기(orthosis) 및 인공삽입물(endoprosthesis)의 생성시키기 위한 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료의 용도.
  15. 고관절 및 무릎 관절 임플란트를 생성시키기 위한 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료의 용도.
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