Bioinerte Keramikmaterialien beziehen sich hauptsächlich auf keramische Materialien mit stabilen chemischen Eigenschaften und guter Biokompatibilität. Die Struktur dieser keramischen Materialien ist relativ stabil, die Bindungskraft in den Molekülen ist relativ stark und sie haben eine hohe mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität. Zu den bioinerten Keramiken gehören Aluminiumoxid-Keramik, Aluminiumoxid-Einkristall, Zirkonoxidkeramik, Glaskeramik usw.
Aluminiumoxid-Keramik
(1) Struktur und Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramiken
① Kristallstruktur
Aluminiumoxid-Keramiken bezeichnen Korund als die kristalline Hauptphase (α- Al2O3). α-Al2O3 hat die stabilste Struktur, weil die Kristallform von natürlichem Korund α-Al2O3 ist, daher wird es auch Korundstruktur genannt. α-Al2O3 gehört zum hexagonalen Kristallsystem. Sauerstoffionen sind sechseckig dicht gepackt, und ein Oktaeder besteht aus sechs O2-Ionen. Das Zentrum der oktaedrischen Lücke ist mit einem Al3+-Ion mit kleinem Radius gefüllt. Korund hat eine kompakte Struktur, eine große innere Ionenbindungsstärke und eine gleichmäßige Bindungskraftverteilung. Daher zeichnen sich Korundkeramiken durch hohe mechanische Festigkeit, hervorragende elektrische Isolierung, hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit und gute Biokompatibilität aus.(2) Mikrostruktur
Was die Mikrostruktur betrifft, so bestehen Aluminiumoxidkeramiken hauptsächlich aus Aluminiumoxidkörnern mit unterschiedlichen Orientierungen, die durch Korngrenzen angeordnet sind. Korn ist die bestehende Form und konstituierende Einheit der kristallinen Phase in keramischen polykristallinen Materialien, das heißt, Korn ist ein kleiner Einkristall ohne bestimmte geometrische Form in polykristallinen Materialien. Während des Entstehungs- und Wachstumsprozesses wächst jeder Kristall gemäß seiner eigenen Kristallisationsgewohnheit zu einem regelmäßigen geometrischen Polyeder heran. Das ist eine Grundlage für das Verständnis und die Identifizierung von Kristallen. Die Unterschiede und Veränderungen der physikochemischen Bedingungen und der äußeren Umgebung während des Kristallwachstums werden die Morphologie der Kristalle ernsthaft beeinflussen. Bei keramischen Materialien wird die Mikrostruktur sehr unterschiedlich sein. Wenn sie in einer besseren Umgebung frei wachsen, kann sich der Kristall gemäß seiner eigenen Kristallisationsgewohnheit zu einer vollständigen Kristallform entwickeln, die als automorpher Kristall bezeichnet wird. Wenn jedoch die Wachstumsumgebung schlecht ist oder das Wachstum gehemmt wird, kann die Kristallform nur teilweise vollständig oder vollständig unvollständig sein, was als subhedrischer Kristall bzw. heteromorphe Kristalle bezeichnet wird. Die Praxis hat bewiesen, dass die kristalline Hauptphase derselben Zusammensetzung, wie z. B. Aluminiumoxidkeramik, α- ist. Aufgrund der unterschiedlichen Korngrößen sind die mechanischen Eigenschaften von Al2O3 sehr unterschiedlich und seine Biegefestigkeit variiert stark. Die Korngrenze ist ein sehr wichtiger Bestandteil keramischer polykristalliner Materialien. Es hat einen erheblichen Einfluss auf viele physikalische Eigenschaften von Materialien, was hier in Kombination mit mechanischer Festigkeit besprochen wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Versagen keramischer Materialien hauptsächlich entlang der Korngrenze stattfindet. Bei feinkristallinen Materialien ist der Anteil der Korngrenze groß. Wenn der Riss entlang der Korngrenze zerstört wird, sollte die Rissausbreitung einen gewundenen Weg nehmen, und je feiner das Korn ist. Je länger die Reise ist. Bei spröden Materialien wie Keramik entspricht die anfängliche Rissgröße der Korngröße, also je feiner das Korn, desto kleiner die anfängliche Rissgröße und desto höher die mechanische Festigkeit. Um gute mechanische Eigenschaften zu erhalten, sollten wir daher die Korngröße untersuchen und kontrollieren. Darüber hinaus entsteht aufgrund der unregelmäßigen Anordnung und ungleichmäßigen Verteilung der Partikel an der Korngrenze eine Mikrokorngrenzspannung. Bei einphasigen polykristallinen Materialien sind der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul benachbarter Körner in derselben Richtung aufgrund der unterschiedlichen Kornorientierung unterschiedlich; für mehrphasige Polykristalle Es gibt mehr Leistungsunterschiede zwischen den Phasen. Bei fester Lösung führt die Schwankung der chemischen Zusammensetzung zwischen den Körnern auch zu einer starken Korngrenzspannung an der Korngrenze. Je größer die Korngröße, desto größer ist die Korngrenzenspannung. Diese Korngrenzenspannung kann sogar zu einem transkristallinen Bruch großer Körner führen, was einer der Gründe für die schlechte mechanische Festigkeit grobkörniger keramischer Materialien sein kann. Daher wird bei der Herstellung von Aluminiumoxidkeramik, um übermäßiges Kornwachstum zu kontrollieren, insbesondere um eine sekundäre Rekristallisation zu verhindern, oft eine kleine Menge MgO während des Prozesses der Rohstoffbehandlung hinzugefügt. α- Eine dünne Schicht aus Magnesium-Aluminium-Spinell wird an der Korngrenze zwischen den Al2O3-Körnern gebildet α- Al2O3-Körner werden umgeben, um Kornwachstum zu verhindern und eine feine Kornstruktur zu bilden. Zweitens werden aufgrund der großen Menge an Verunreinigungen in den Rohstoffen und der großen Menge an Zusatzstoffen die Substanzen der zweiten Phase oft an der Korngrenze ausgefällt, was ebenfalls einen sehr wichtigen Einfluss auf die Materialeigenschaften haben wird. Kurz gesagt, wie man die Mikrostruktur von Aluminiumoxidkeramiken durch einen bestimmten Prozess kontrolliert, ist ein wichtiger Weg, um ihre Eigenschaften zu verbessern.