KR20120104335A - 주성분으로서의 알루미늄 옥사이드 및 지르코늄 옥사이드로 구성되는 세라믹 복합 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 매트릭스로서 알루미늄 옥사이드 및 알루미늄 옥사이드 중에 분산된 지르코늄 옥사이드로 구성되는 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 복합 재료의 생산 방법 및 이의 용도에 관한 것이다.

Description

주성분으로서의 알루미늄 옥사이드 및 지르코늄 옥사이드로 구성되는 세라믹 복합 재료{CERAMIC COMPOSITE MATERIAL CONSISTING OF ALUMINUM OXIDE AND ZIRCONIUM OXIDE AS THE MAIN CONSTITUENTS}
본 발명은 세라믹 매트릭스로서 알루미늄 옥사이드 및 알루미늄 옥사이드 중에 분산된 지르코늄 옥사이드로 구성되는 복합재, 이의 생산 방법, 및 이의 용도에 관한 것이다.
금속 합금과 세라믹 재료의 분자 구조는 서로 실질적으로 상이하다. 금속 결합에서, 전자는 무질서하게, 그리고 비교적 낮은 결합력으로 원자 핵에 궤도를 갖는다. 예를 들어, 바디(body) 환경에서, 이온은 이러한 "루즈(loose)"한 구조로부터 항상 떨어져 있고; 다양한 화학 반응이 가능하다.
세라믹 분자에서, 세라믹 결합 중 전자는 정확하게 미리 정해진 경로, 소위 지정된 전자 궤도를 따른다. 이들의 결합력은 매우 높고; 분자는 매우 안정하다. 따라서, 이온 형성이 일어나지 않으며, 화학 반응이 실제로 불가능하다.
매우 안정한 세라믹 결합은 거의 재료의 소성 변형을 배제한다. 한편으로는, 이러한 효과는 요망되는 매우 높은 경도를 초래하지만, 다른 한편으로는, 상대적으로 높은 취성(brittleness)을 초래한다. 그러나, 적절한 재료 구성으로, 고 경도와 고 연성(ductility)을 동시에 달성하는 것이 가능하다.
재료 과학에서는 파괴 강도(fracture strength)와 파괴 인성(fracture toughness)이 구별된다. 파괴 강도는 재료가 파손되지 않으면서 저항하는 최대의 기계적 응력이다. 파괴 인성, 또는 균열 개시 인성은 균열 전파의 개시에 대항하는 재료의 내성을 나타낸 것이다. 현재, 매우 높은 파괴 강도를 지니는 세라믹 재료가 이미 의료 기술에서 사용되고 있다. 또한, 이러한 재료 중 일부는 매우 높은 파괴 인성을 지닌다. 그러한 재료는 다른 세라믹보다 균열의 개시에 대항하여 훨씬 높은 내성을 지니고, 균열의 성장을 억제한다.
이러한 특성은 2개의 강화 메카니즘을 기초로 한다. 제 1 강화 메카니즘은 함유된 정방정계(tetragonal) 지르코늄 옥사이드 나노입자에 기인한다. 이러한 입자는 알루미늄 옥사이트 매트릭스에 개별적으로 분배되어 있다. 이들은 이러한 방식으로 균열 및 대응하는 균열 전파의 구역에서 국부 압력 피크를 생성시킨다.
제 2 강화 메카니즘은 옥사이드 혼합물에서 산발적으로 유사하게 형성되는 소형판(platelet) 모양의 결정을 통해 달성된다. 이러한 "소형판"은 잠재적인 균열을 저해하고, 균열 에너지를 분산시켜 에너지를 소산시킨다. 그러한 재료의 두 기능 모두 또한 종래에 세라믹으로 달성될 수 없었던 성분 기하구조를 구성하게 한다.
본 발명에 내재된 목적은 알려져 있는 세라믹 재료의 특성을 추가로 개선시키는 것이다.
본 발명은 주성분인 알루미늄 옥사이드 및 지르코늄 옥사이드 뿐만 아니라, 하나 또는 복수의 무기 집합체(aggregate)로 구성되는 세라믹 복합 재료에 관한 것이고, 이러한 성분들에 의해 복합 재료의 특성이 영향받을 수 있다. 여기서, 알루미늄 옥사이드는 65% 초과, 바람직하게는 85 내지 90%의 용적량으로 주성분을 형성하고; 지르코늄 옥사이드는 10 내지 35%의 용적량으로 부성분을 형성한다. 하기에서 분산질(dispersoid)로서 일컬어지는 추가 첨가제는 1 내지 10%, 바람직하게는 2 내지 8%, 특히 바람직하게는 3.5 내지 7%의 용적량을 차지할 수 있다. 게다가, 알루미늄 옥사이드 뿐만 아니라 지르코늄 옥사이드는 또한 가용성 성분도 함유할 수 있다. Cr, Fe, Mg, Ti, Y, Ce, Ca, 란탄족 원소 및/또는 V 중 하나 또는 복수의 원소가 가용성 성분으로서 존재할 수 있다. 개시 상태에서, 지르코늄 옥사이드는 총 지르코늄 함량을 기준으로 높은 비율, 바람직하게는 80 내지 99%, 특히 바람직하게는 90 내지 99%로 정방정계 상으로 존재한다. 지르코늄 옥사이드의 정방정계에서 단사정계(monoclinic)로 공지된 상 변환(phase transformation)은 파괴 인성 및 강도에 유리한 영향을 주기 위해서 본 발명에 따른 복합 재료에 강화 메카니즘으로서 사용된다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 복합 재료 중의 지르코늄 옥사이드의 정방정계 상을 안정화시키는 것은 대부분 화학적이 아니라 기계적으로 수행된다. 따라서, 지르코늄 옥사이드에 대한 무기 화학적 안정화제의 함량은 종래 기술에서 일반적으로 사용되는 함량 보다 상당히 낮은 값으로 제한된다. Y2O3는 종래 기술에서 일반적으로, 그리고 바람직하게 사용되는 화학적 안정화제이다. 추가로 알려져 있는 안정화제에는 CeO2, CaO 및 MgO가 있다.
세라믹 복합 재료로 알려진 포뮬레이션의 예는 하기와 같다:
Figure pct00001
(1)이트륨 강화 지르코니아 (2)지르코니아 강화 알루미나
본 발명에 따른 복합 재료에서, 종래 기술에서 사용되는 함량보다 상당히 더 낮은 안정화제 함량이 사용된다. 이것은 본 발명에 따른 복합 재료 중의 지르코늄 옥사이드가 알루미늄 옥사이드 매트릭스 내에 함유되고, 이렇게 매트릭스 내에 함유되는 방식으로 상기 지르코늄 옥사이드가 준안정 정방정계 상에서 안정화된다는 점(기계적 안정화)에서 본 발명에 따라 가능하다.
기계적 안정화를 위한 필요 요건은 10 내지 35용적% 비율의 지르코늄 옥사이드와, 65용적% 이상, 바람직하게는 65 내지 90용적% 비율의 알루미늄 옥사이드이다. 본 발명에 따른 놀라운 기계적 안정화를 달성하기 위해서 특히 중요한 것은 본 발명에 따른 복합 재료 중의 지르코늄 옥사이드 입자의 그레인 크기(grain size)이다. 지르코늄 입자의 그레인 크기는 평균하여 0.5μm(선형 교차법(linear intercept method)에 따라 측정됨)를 초과하지 않아야 한다. 본 발명에 따라 기계적으로 안정화된 복합 재료에 대해 바람직한 것은 평균하여 0.1μm 내지 0.2μm, 0.2μm 내지 0.3μm, 0.3μm 내지 0.4μm, 또는 0.4μm 내지 0.5μm, 바람직하게는 0.1μm 내지 0.3μm, 특히 바람직하게는 0.15μm 내지 0.25μm의 그레인 크기를 지니는 지르코늄 입자이다.
본 발명에 따른 복합 재료 중의 화학적 안정화제의 비율(지르코늄 함량에 대한 각 경우에서 비율)은 Y2O3의 경우 1.5몰% 이하, 바람직하게는 1.3몰% 이하이고, CeO2의 경우 3몰% 이하이고, MgO의 경우 3몰% 이하이며, CaO의 경우 3몰% 이하이다. 특히 바람직한 것은 안정화제의 총 함량이 0.2몰% 미만인 것이다. 본 발명에 따라 특히 바람직한 것은 화학적 안정화제를 함유하지 않는 기계적으로 안정화된 복합 재료이다.
화학적 안정화제를 사용함으로써 안정화된 재료, 특히 Y2O3에 의해 안정화된 재료는 수열 숙성(hydrothermal aging) 성향이 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 재료에서, 자발적인 상 변환은 물 분자의 존재 하에 예를 들어, 체온에서 미리 상승된 온도에서 발생한다. 상승된 온도에서 물에 대한 이러한 민감성의 원인은 지르코늄 옥사이드 격자 중에 산소의 빈자리(vacancy)가 형성되기 때문이고, 이후 산소의 빈자리는 수산화물 이온으로 채워질 수 있다. 이러한 현상은 "수열 숙성"이라 불린다.
본 발명에 따른 복합 재료는 화학적 안정화제의 사용, 특히 Y2O3의 사용을 통해 안정화된 재료보다 수열 숙성 성향이 상당히 덜하다.
화학적 안정화제의 저하된 함량을 통해, 본 발명에 따른 복합 재료 중에 지르코늄 옥사이드 격자는 산소 빈자리를 비교적 덜 함유한다. 따라서, 본 발명에 따른 복합 재료는 종래 기술로부터 알려진 재료의 경우에 비해 상승된 온도에서 물의 존재에 덜 민감하게 반응한다: 본 발명에 따른 복합 재료는 수열 숙성 성향이 상당히 덜하다.
본 발명에 따른 복합 재료의 생산은 그 자체가 알려져 있는 통상의 세라믹 기술에 의해 수행된다. 필수 공정 단계는 예를 들어, 하기와 같다:
a) 분말 혼합물을 특정된 조성에 따라 물 중에서 제조하고; 필요시, 액화기를 사용하여 침강을 방지하는 단계.
b) 용해조(고속 교반기)에서 균질화시키는 단계.
c) 아지테이터 볼 밀(agitator ball mill)에서 밀링하여 분말 혼합물의 비표면적을 증가시키는 단계(=분쇄).
d) 필요 시, 유기 바인더(binder) 첨가 단계.
e) 스프레이 건조시켜서 확정된 성질을 지니는 자유-유동 과립을 생성시키는 단계.
f) 과립을 물로 습화시키는 단계.
g) 축방향으로 또는 평행하게 압축하는 단계.
h) 그린 가공(green machining)하여 소결 수축의 고려 하에 실질적으로 최종 윤곽을 형성시키는 단계.
i) 프리-파이어링(prefiring)하여 대략 98%의 이론적인 밀도로 수축되고, 추가의 남아 있는 잔류 기공이 외부에 대해서 폐쇄되는 단계.
j) 높은 온도 및 높은 가스 압력에서의 고온 평형 압축(hot isostatic pressing)하여 실질적으로 완전한 최종 밀도를 유도하는 단계.
k) 소위 크린 버닝(clean burning)하여 고온 평형 압축 동안에 생성된 세라믹 중의 산소 이온의 불균형의 균등화를 유도하는 단계.
l) 그라인딩(grinding) 및 폴리싱(polishing)에 의한 하드 머시닝(hard machining) 단계.
m) 어닐링(annealing) 단계.
본 발명에 따른 복합 재료는 마찰학적, 화학적, 및/또는 열적 응력이 가해지는 공작 기계 부품, 예를 들어, 소결체(sintered body)를 생산하기 위해, 의료 기술에서 동적 하중(dynamic load) 하에 에너지를 흡수하는 기능을 지니는 부품을 생산하기 위해, 예를 들어, 의료 용도로 고관절 및 무릎 관절 임플란트(implant), 드릴과 같은 보조기(orthose) 및 내부 보철(endoprosthese)을 생산하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 하기와 같이, 세라믹 매트릭스로서 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드 중에 분산된 지르코늄 옥사이드, 및 임의로 추가의 집합체/상으로부터의 복합 재료에 관한 것이다:
ㆍ 복합 재료는 제 1상으로서 65용적% 이상의 비율의 알루미늄 옥사이드 및 제 2상으로서 10 내지 35용적%의 비율의 지르코늄, 및 임의로 하나 또는 복수의 무기 집합체를 함유하고, 여기서 지르코늄 옥사이드는 총 지르코늄 옥사이드 함량을 기준으로 가장 높은 비율, 바람직하게는 80 내지 99%, 특히 바람직하게는 90 내지 99%로 정방정계 상에 존재하고, 정방정계 상을 안정화시키는 것은 대부분 화학적이 아닌 기계적으로 일어난다.
특히 바람직한 것은 하기와 같은 본 발명에 따른 복합 재료이다:
ㆍ 지르코늄 입자는 평균하여 0.1 내지 0.5μm, 바람직하게는 평균하여 0.15 내지 0.25μm의 그레인 크기를 지니고;
ㆍ 지르코늄 옥사이드에 대한 화학적 안정화제의 함량은 종래 기술에서 사용되는 각 화학적 안정화제들 중 어느 하나의 안정화제 보다 상당히 더 낮은 값으로 제한되고;
ㆍ 본 발명에 따른 복합 재료 중의 화학적 안정화제의 함량(지르코늄 함량에 대한 각각 경우에서 비율)은 Y2O3의 경우 1.5몰% 이하, 바람직하게는 1.3몰% 이하이고, CeO2의 경우 3몰% 이하이고, MgO의 경우 3몰% 이하이며, CaO의 경우 3몰% 이하이고;
ㆍ 화학적 안정화제의 총 함량은 0.2몰% 미만이고;
ㆍ 복합 재료는 화학적 안정화제를 함유하지 않고;
ㆍ 알루미늄 옥사이드 및/또는 지르코늄 옥사이드는 가용성 성분을 함유하고;
ㆍ 알루미늄 옥사이드 중에서 및/또는 지르코늄 옥사이드 중에서 Cr, Fe, Mg, Ti, Y, Ce, Ca, 란탄족 원소 및/또는 V 중 하나 또는 복수의 원소가 가용성 성분으로서 존재한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 복합 재료의 하기와 같은 용도에 관한 것이다:
ㆍ 소결체 생산용;
ㆍ 동적 하중 하에 에너지를 흡수하는 기능을 지니는 부품 생산용;
ㆍ 의료 기술용;
ㆍ 의료 기술 분야에서 인공 보철(prosthese) 생산용, 예를 들어, 보조기 및 내부 삽입물 생산용;
ㆍ 고관절 및 무릎 관절 임플란트 생산용.

Claims (13)

  1. 세라믹 매트릭스로서 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드 중에 분산된 지르코늄 옥사이드, 및 임의로 추가의 집합체(aggregate)/상으로 구성된 복합 재료로서, 복합 재료가 제 1 상으로서 65용적% 이상의 비율의 알루미늄 옥사이드 및 제 2 상으로서 10 내지 35용적% 비율의 지르코늄, 및 임의로 하나 또는 복수의 무기 집합체를 함유하고, 여기서 총 지르코늄 함량을 기준으로 지르코늄 옥사이드의 가장 많은 부분, 바람직하게는 80 내지 99%, 특히 바람직하게는 90 내지 99%로 정방정계 상으로 존재하고, 정방정계(tetragonal) 상을 안정화시키는 것은 대부분 화학적이 아닌 기계적으로 일어남을 특징으로 하는, 복합 재료.
  2. 제 1항에 있어서, 지르코늄 입자가 평균하여 0.1 내지 0.5μm, 바람직하게는 평균하여 0.15 내지 0.25μm의 그레인 크기(grain size)를 지님을 특징으로 하는, 복합 재료.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 지르코늄 옥사이드에 대한 화학적 안정화제의 함량이 종래 기술에서 사용된 각 화학적 안정화제들의 함량보다 상당히 더 낮은 값으로 제한됨을 특징으로 하는, 복합 재료.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 본 발명에 따른 복합 재료 중의 화학적 안정화제의 함량(지르코늄 함량에 대한 각 경우에서 비율)이 Y2O3의 경우 1.5몰% 이하, 바람직하게는 1.3몰% 이하이고, CeO2의 경우 3몰% 이하이고, MgO의 경우 3몰% 이하이며, CaO의 경우 3몰% 이하임을 특징으로 하는, 복합 재료.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 화학적 안정화제의 총 함량이 0.2몰% 미만임을 특징으로 하는, 복합 재료.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 재료가 화학적 안정화제를 함유하지 않음을 특징으로 하는, 복합 재료.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 옥사이드 및/또는 지르코늄 옥사아드가 가용성 성분을 함유함을 특징으로 하는, 복합 재료.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, Cr, Fe, Mg, Ti, Y, Ce, Ca, 란탄족 원소 및/또는 V의 원소들 중 하나 또는 복수의 원소가 알루미늄 옥사이드 및/또는 지르코늄 옥사이드 중에서 가용성 성분으로서 존재함을 특징으로 하는, 복합 재료.
  9. 소결체(sintered body)를 생산하기 위한 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.
  10. 동적 하중(dynamic load) 하에 에너지를 흡수할 수 있는 기능을 지니는 부품을 생산하기 위한 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.
  11. 의료 기술 분야에서 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.
  12. 의료 기술 분야에서 인공 보철(prosthese)을 생산하기 위한, 예를 들어, 보조기(orthose) 및 내부 보철(endoprosthese)을 생산하기 위한 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.
  13. 고관절 및 무릎 관절 임플란트(implant)를 생산하기 위한 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111099884A (zh) * 2019-12-23 2020-05-05 江苏奥能耐火材料有限公司 一种浸入式水口添加金属锆的陶瓷结合抗冲刷材料

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102381882B (zh) * 2011-07-27 2013-09-11 浙江自立股份有限公司 一种均质微晶化结构氧化锆耐火材料及其制备方法
PL2975010T3 (pl) * 2014-07-14 2017-01-31 Refractory Intellectual Property Gmbh & Co. Kg Ditlenek cyrkonu, zastosowanie ditlenku cyrkonu i sposób wytwarzania wyrobu ogniotrwałego
WO2016190343A1 (ja) * 2015-05-25 2016-12-01 京セラ株式会社 セラミック刃物
CN106726012A (zh) * 2016-11-25 2017-05-31 戴闽 一种全陶瓷人工髋关节假体及其制备方法
CN108585808A (zh) * 2018-04-03 2018-09-28 昆明理工大学 一种与钢铁熔体润湿性良好的改性zta复相陶瓷的制备方法
DE102019201097A1 (de) 2019-01-29 2020-07-30 Thyssenkrupp Ag Verschleißschutzelement für eine Zerkleinerungsvorrichtung
DE102019201098A1 (de) 2019-01-29 2020-07-30 Thyssenkrupp Ag Verschleißschutzelement für eine Zerkleinerungsvorrichtung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5032555A (en) * 1988-05-16 1991-07-16 Allied-Signal Inc. Process for making zirconia-alumina
WO2001080783A2 (fr) * 2000-04-25 2001-11-01 Saint-Gobain Ceramiques Avancees Desmarquest 'les Miroirs' Composant biomedical en alumine renforcee a la zircone

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2549652B2 (de) * 1975-11-05 1980-05-29 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V., 3400 Goettingen Keramikformkörper hoher Bruchzähigkeit
JPS60251171A (ja) * 1984-03-29 1985-12-11 日立金属株式会社 ＡｌｚＯ↓３系高強度焼結材料
JPS6259565A (ja) * 1985-09-06 1987-03-16 第一稀元素化学工業株式会社 高密度アルミナ・ジルコニア焼結体およびその製造方法
US4771022A (en) * 1986-02-26 1988-09-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce High pressure process for producing transformation toughened ceramics
CA1262813A (en) * 1986-06-26 1989-11-14 Corning Glass Works Preparation of high purity, homogeneous zirconia mixtures
US4820667A (en) * 1986-08-18 1989-04-11 Ngk Insulators, Ltd. High strength zirconia ceramic
DD263703A1 (de) 1987-06-11 1989-01-11 Akad Wissenschaften Ddr Keramisches humanimplantat als knochenersatz
US5082809A (en) * 1987-12-21 1992-01-21 Kyocera Corporation High-strength alumina sintered body and process for preparation thereof
US5002911A (en) * 1989-04-07 1991-03-26 Cerametec, Inc. Ceramics with high toughness, strength and hardness
JP3198507B2 (ja) * 1989-12-28 2001-08-13 東ソー株式会社 アルミナ―ジルコニア複合焼結体
US5830816A (en) * 1990-08-06 1998-11-03 Cerasiv Gmbh Innovatives Keramik-Engineering Sintered molding
JPH04275977A (ja) * 1991-02-28 1992-10-01 Osaka Cement Co Ltd 高強度アルミナージルコニア系セラミックス刃物
JP4009339B2 (ja) * 1996-01-29 2007-11-14 関西マテック株式会社 アルミナ−ジルコニア系焼結体、その製造法及びアルミナ−ジルコニア系焼結体を用いた衝撃式粉砕機
JP2001521874A (ja) * 1997-10-31 2001-11-13 セラムテック アクチエンゲゼルシャフト イノヴェイティヴ セラミック エンジニアリング プレートレット強化された焼結成形体
RU2164503C2 (ru) * 1999-05-21 2001-03-27 Сибирский химический комбинат Шихта для изготовления керамики
JP4331825B2 (ja) * 1999-05-31 2009-09-16 京セラ株式会社 高強度アルミナ質焼結体の製造方法
JP2001240460A (ja) * 1999-12-24 2001-09-04 Sumitomo Chem Co Ltd アルミナ・ジルコニア複合焼結体およびその製造方法
AU2003213529B2 (en) * 2002-07-19 2005-01-20 Panasonic Healthcare Holdings Co., Ltd. ZrO2-AI2O3 composite ceramic material and production method thereof
DE10244439A1 (de) * 2002-09-24 2004-03-25 Mathys Orthopädie GmbH Keramische Endoprothesenkomponenten und Verfahren zu ihrer Herstellung
AU2004203889B2 (en) * 2003-08-22 2006-02-23 Panasonic Healthcare Holdings Co., Ltd. ZrO2-Al2O3 composite ceramic material
US7148167B2 (en) * 2003-08-28 2006-12-12 Kyocera Corporation Alumina/zirconia ceramics and method of producing the same
JP4465173B2 (ja) * 2003-09-10 2010-05-19 京セラ株式会社 複合セラミックスおよびその製法
JP4883885B2 (ja) * 2004-01-28 2012-02-22 京セラ株式会社 生体部材及びその製造方法並びに人工関節
US7820577B2 (en) * 2003-10-30 2010-10-26 Kyocera Corporation Biomedical member and method for producing the same
IL164054A (en) * 2004-09-13 2010-06-16 Cohen Michael Alumina ceramic products
JP4761749B2 (ja) * 2004-09-29 2011-08-31 京セラ株式会社 生体部材およびそれを用いた人工関節
DE102005020781A1 (de) * 2005-05-04 2006-11-09 Degussa Ag Zirkondioxid und Aluminiumoxid enthaltender Schlicker und daraus erhältlicher Formkörper
DE102008001374A1 (de) 2007-04-27 2008-10-30 Ceramtec Ag Keramischer Werkstoff
DE102007020473B4 (de) 2007-04-27 2016-03-03 Ceramtec Gmbh Keramischer Werkstoff, seine Verwendung und Sinterformkörper
DE102007020471A1 (de) 2007-04-27 2008-11-06 Ceramtec Ag Innovative Ceramic Engineering Sinterformkörper
DE102008044906A1 (de) 2008-08-29 2010-03-04 Ibu-Tec Advanced Materials Ag Verfahren zur Herstellung eines feinteiligen Pulverwerkstoffs sowie ein solcher Pulverwerkstoff

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5032555A (en) * 1988-05-16 1991-07-16 Allied-Signal Inc. Process for making zirconia-alumina
WO2001080783A2 (fr) * 2000-04-25 2001-11-01 Saint-Gobain Ceramiques Avancees Desmarquest 'les Miroirs' Composant biomedical en alumine renforcee a la zircone
US20020010070A1 (en) * 2000-04-25 2002-01-24 Bernard Cales Zirconia-toughened alumina biocomponent having high resistance to low temperature degradation and method for preparing same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HANNINK R H J : "TRANSFORMATION T0UGHENING IN ZIC0NIA-C0NTAINING CERAMICS", JOURNAL 0F THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY, BLACKWELL PUBLISHING, MALDEN, MA, US, vol. 83, no.3 , 1 January 2000(2000-01-01), p *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111099884A (zh) * 2019-12-23 2020-05-05 江苏奥能耐火材料有限公司 一种浸入式水口添加金属锆的陶瓷结合抗冲刷材料

Also Published As

Publication number Publication date
RU2592319C2 (ru) 2016-07-20
AU2010340892B2 (en) 2014-10-09
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