WO2008132158A1 - Keramischer werkstoff - Google Patents

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WO2008132158A1 PCT/EP2008/055056 EP2008055056W WO2008132158A1 WO 2008132158 A1 WO2008132158 A1 WO 2008132158A1 EP 2008055056 W EP2008055056 W EP 2008055056W WO 2008132158 A1 WO2008132158 A1 WO 2008132158A1
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Kilian Friederich
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Definitions

  • the invention relates to a ceramic material.
  • Ceramic materials offer a variety of applications. Their composition can be tailored by specific addition of certain elements and / or their compounds to the intended use.
  • Aluminum oxide and zirconium oxide, for example, are ceramic materials which are processed individually or in combination with one another inter alia to cutting tools, catalyst supports or prostheses.
  • Hardness, aging resistance, water wetting behavior, and high thermal conductivity are properties known of alumina sintered compacts, high strength, and high fracture toughness, that is, damage tolerance, are properties known from zirconia sintered compacts.
  • an aluminum oxide material in the following composition in the sintered body is suitable as a material, in particular for use in the field of medical technology, for example for the production of orthoses and endoprostheses, such as hip joint and knee joint implants.
  • Alumina in appropriate addition to 100 wt .-%.
  • Dominant structural component of such a combination of materials is the aluminum oxide. Therefore, the property-determining characteristics such as hardness, Young's modulus and thermal conductivity close to the properties of pure alumina.
  • the constituents zirconium oxide and optionally strontium aluminate are incorporated in the aluminum oxide matrix.
  • the raw materials are preferably used in high purity. Due to the high purity of the raw materials, grain boundary phases are formed only to an extremely small extent.
  • the strontium aluminate forms characteristic platelet-shaped crystallites, platelets, which contribute significantly to the increase in strength.
  • the constituents zirconium oxide and strontium aluminate contribute to increasing the fracture toughness, which is about 60% higher than with pure aluminum oxide.
  • the strength is increased almost by a factor of 2
  • the damage tolerance that is, the property of the component, even with a possible damage still retain a high residual strength.
  • the crack path is surprisingly deflected, so that additional energy is absorbed in the crack propagation.
  • a peculiarity of the material according to the invention is to be considered that the two mechanisms mutually reinforce, so that the effective increase in the fracture toughness is even greater than would be expected by simple addition of the individual mechanisms.
  • Al 2 O 3 The content of Al 2 O 3 supplements from 72.65 wt .-% to 74.54 wt .-%. Commodity related contaminants ( ⁇ 0.05% by weight) are possible but not listed separately because of their minority.
  • the production of sintered molded articles from the material according to the invention takes place by means of conventional ceramic technology.
  • the properties of the sintered body from the material according to the invention can still be reinforced by inclusions. It is thus possible to mix whiskers and / or fibers into the material before forming a sintered body or incorporating reticulated structures or fabrics into the green state material.
  • the whiskers, fibers or nets or webs must be made of a material that does not interact with the ceramic material in such a way that deterioration of its properties occurs. In addition, the material must not change during sintering in such a way that the material is damaged.
  • Sinterform body which are made of the material according to the invention, surprisingly combine the respective best properties of competing ceramic materials alumina and zirconia for implant applications in itself: hardness, aging resistance, water wetting behavior and high thermal conductivity are properties of sintered form bodies of alumina High strength and high fracture toughness, that is damage tolerance, are properties known from zirconia sintered compacts.

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Abstract

Härte, Alterungsbeständigkeit, Benetzungsverhalten gegenüber Wasser und hohe Wärmeleitfähigkeit sind Eigenschaften, die von Sinterformkörpern aus Aluminiumoxid bekannt sind, hohe Festigkeit und hohe Risszähigkeit, das heißt Schadenstoleranz, sind Eigenschaften, die von Sinterformkörpern aus Zirkonoxid bekannt sind. Um einen keramischen Werkstoff zu erhalten, der alle diese Eigenschaften in sich vereint, wird erfindungsgemäß ein Werkstoff vorgeschlagen, der aus einem hohen Anteil an Aluminiumoxid sowie Zirkonoxid und gegebenenfalls aus Strontiumaluminat zusammengesetzt ist.

Description

Keramischer Werkstoff
Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff.
Keramische Werkstoffe bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Ihre Zusammensetzung kann durch gezielte Zugabe von bestimmten Elementen und/oder deren Verbindungen auf den jeweils vorgesehenen Einsatz abgestimmt werden. Aluminiumoxid und Zirkonoxid beispielsweise sind keramische Werkstoffe, die einzeln oder in Kombination miteinander unter anderem zu Schneidwerkzeugen, Katalysatorträger oder Prothesen verarbeitet werden.
Härte, Alterungsbeständigkeit, Benetzungsverhalten gegenüber Wasser und hohe Wärmeleitfähigkeit sind Eigenschaften, die von Sinterformkörpern aus Aluminiumoxid bekannt sind, hohe Festigkeit und hohe Risszähigkeit, das heißt Schadenstoleranz, sind Eigenschaften, die von Sinterformkörpern aus Zirkonoxid bekannt sind.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen keramischen Werkstoff vorzustellen, der die Eigenschaften der beiden Werkstoffe in sich vereint.
In überraschender weise hat sich gezeigt, dass sich ein Aluminiumoxidwerkstoff in der folgenden Zusammensetzung im Sinterkörper als Werkstoff insbesondere für die Anwendung im medizintechnischen Bereich, beispielsweise für die Herstellung von Orthesen und Endoprothesen, wie Hüftgelenk- und Kniegelenkimplantate, eignet.
Figure imgf000002_0001
Aluminiumoxid in entsprechender Ergänzung zu 100 Gew.-%.
Dominierender Gefügebestandteil einer solchen Werkstoffkombination ist das Aluminiumoxid. Daher liegen die eigenschaftsbestimmenden Merkmale wie Härte, Elastizitäts-Modul und Wärmeleitfähigkeit dicht an den Eigenschaften von reinem Aluminiumoxid. Die Bestandteile Zirkonoxid und gegebenenfalls Strontiumaluminat sind in die Aluminiumoxidmatrix eingelagert. Die Rohstoffe werden vorzugsweise in hoher Reinheit eingesetzt. Durch die hohe Reinheit der Rohstoffe bilden sich nur in extrem geringem Umfang Korngrenzenphasen. Das Strontiumaluminat bildet charakteristische plättchenförmige Kristallite, Platelets, die wesentlich zur Festigkeitssteigerung beitragen.
Die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat tragen zur Steigerung der Risszähigkeit bei, die um etwa 60% höher liegt als bei reinem Aluminiumoxid. Durch diese Verstärkungskomponenten wird die Festigkeit fast um den Faktor 2 gesteigert, gleichzeitig steigt die Schadenstoleranz, das heißt die Eigenschaft des Bauteils, auch bei einer möglichen Beschädigung noch eine hohe Restfestigkeit zu behalten.
Bei hoher mechanischer Belastung eines aus dem Werkstoff hergestellten Sinterkörpers werden überraschenderweise Mechanismen aktiviert, die beispielsweise eine Rissausbreitung hemmen oder stoppen. Der wichtigste Mechanismus ist dabei die spannungsinduzierte Umwandlung des Zirkonoxids von der tetragonalen zur monoklinen Phase. Die mit der Umwandlung einhergehende Volumenvergrößerung des Zirkonoxids bewirkt die Ausbildung lokaler Druckspannungen, die der äußeren Zugbelastung entgegenwirkt und somit das Risswachstum behindert.
Durch die eingelagerten Platelets wird überraschenderweise der Risspfad abgelenkt, so dass zusätzliche Energie bei der Rissausbreitung absorbiert wird.
Als Besonderheit des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist anzusehen, dass sich die beiden Mechanismen wechselseitig verstärken, so dass die effektive Steigerung der Risszähigkeit sogar größer ist, als es durch simple Addition der Einzelmechanismen zu erwarten wäre.
Eine bevorzugte Werkstoffzusammensetzung mit ihren Eigenschaften ist nachfolgend aufgeführt:
Figure imgf000004_0001
Der Gehalt an AI2O3 ergänzt sich von 72,65 Gew.-% bis 74,54 Gew.-%. Rohstoffbedingte Verunreinigungen (< 0,05 Gew.-%) sind möglich, aber wegen ihres geringfügigen Anteils nicht gesondert aufgeführt.
Die Herstellung von Sinterformkörpern aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff erfolgt mittels konventioneller Keramiktechnologie. Die wesentlichen Prozessschritte sind: a) Pulvermischung gemäß vorgegebener Zusammensetzung in Wasser ansetzen, Verwendung von Verflüssigern zur Vermeidung der Sedimentation. b) Homogenisieren im Dissolver (schnelllaufender Rührer). c) Mahlen in Rührwerkskugelmühle, dabei Erhöhung der spezifischen Oberfläche der Pulvermischung (= Zerkleinerung). d) Zugabe von organischen Bindern. e) Sprühtrocknen, dabei entsteht ein rieselfähiges Granulat mit definierten Eigenschaften. f) Befeuchten des Granulats mit Wasser. g) Axial oder isostatisch pressen. h) Spanabhebende Grünbearbeitung, dabei wird unter Berücksichtigung der Sinterschwindung weitgehend die Endkontur abgebildet. i) Vorbrand, dabei Schwindung auf ca. 98% der theoretischen Dichte. Die noch verbleibenden Restporen sind nach außen geschlossen. j) Heißisostatisches Pressen unter hoher Temperatur und hohem Gasdruck, dadurch praktisch vollständige Endverdichtung. k) Sogenannter Weißbrand, dadurch wird das beim heißisostatischen Pressen erzeugte Ungleichgewicht der Sauerstoffionen in der Keramik ausgeglichen.
I) Hartbearbeitung durch Schleifen und Polieren. m) Tempern.
Die Eigenschaften des Sinterform körpers aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff können noch durch Einlagerungen verstärkt werden. So ist es möglich, Whisker und/oder Fasern vor der Ausformung eines Sinterkörpers in den Werkstoff zu mischen oder netzartige Strukturen oder Gewebe in den Werkstoff im Grünzustand einzuarbeiten. Die Whisker, Fasern oder Netze oder Gewebe müssen aus einem Werkstoff sein, der nicht mit dem keramischen Werkstoff in der Weise in Wechselwirkung tritt, dass eine Verschlechterung seiner Eigenschaften eintritt. Außerdem darf sich der Werkstoff während des Sinterns nicht in einer Weise verändern, dass der Werkstoff geschädigt wird.
Sinterform körper, die aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff gefertigt werden, vereinen überraschenderweise die jeweils besten Eigenschaften der an sich konkurrierenden keramischen Werkstoffe Aluminiumoxid und Zirkonoxid für Implantatanwendungen in sich: Härte, Alterungsbeständigkeit, Benetzungsverhalten gegenüber Wasser und hohe Wärmeleitfähigkeit sind Eigenschaften, die von Sinterform körpern aus Aluminiumoxid bekannt sind, hohe Festigkeit und hohe Risszähigkeit, das heißt Schadenstoleranz, sind Eigenschaften, die von Sinterformkörpern aus Zirkonoxid bekannt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er 72 bis 82 Gew.-% AI2O3, 28 bis 18 Gew.-% ZrO2, O bis 1 Gew.-% Cr2O3, O bis 6 Gew.-% Y2O3, O bis 2 Gew.-% SrO, O bis 0,5 Gew.-% TiO2 und O bis 0,5 Gew.-% MgO enthält.
2. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er 24,0 bis 25,5 Gew.-% ZrO2, 0,26 bis 0,35 Gew.-% Cr2O3, 0,50 bis 0,6 Gew.-% Y2O3, 0,70 bis 0,85 Gew.-% SrO, sowie AI2O3 in Ergänzung zu 100 Gew.-% enthält.
3. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 4- Punkt-Biegefestigkeit > 1000 MPa beträgt.
4. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchzähigkeit K|C ≥ 5,5 MPam0 5 ist.
5. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Weibull-Modul > 7 ist.
6. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte HV10 > 1740 ist.
7. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte ED2000 > 4,360 g/cm3 ist.
8. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zusätzlich mit Whiskern und/oder Fasern oder netzartigen Strukturen oder Geweben aus geeigneten Werkstoffen durchsetzt ist.
9. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat in der Aluminiumoxidmatrix eingelagert sind.
10. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strontiumaluminat in Form von plättchenförmigen Kristalliten, Platelets, vorliegt.
11. Sinterformkörper, erhältlich aus einem keramischen Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 10.
12. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von Sinterformkörpern.
13. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 in der Medizintechnik.
14. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von Orthesen und Endoprothesen.
15. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von Hüftgelenk- und Kniegelenkimplantaten.
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