Los materiales cerámicos bioinertes se refieren principalmente a materiales cerámicos con propiedades químicas estables y una buena biocompatibilidad. La estructura de estos materiales cerámicos es relativamente estable, la fuerza de unión en las moléculas es relativamente fuerte y tienen una alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y estabilidad química. La cerámica bioinerte incluye la cerámica de alúmina, la cerámica monocristalina de alúmina, la cerámica de circonio, la cerámica de vidrio, etc.
Cerámica de alúmina
(1) Estructura y propiedades de la cerámica de alúmina
① Estructura cristalina
La cerámica de alúmina se refiere al corindón como la principal fase cristalina（α- Al2O3). El α- Al2O3 tiene la estructura más estable porque la forma cristalina del corindón natural es el α- Al2O3, por lo que también se denomina estructura de corindón. El α- Al2O3 pertenece al sistema cristalino hexagonal. Los iones de oxígeno están muy compactos en hexagonal y un octaedro está formado por seis iones de O2. El centro del espacio octaédrico está lleno de un ion Al3+ de radio pequeño. El corindón tiene una estructura compacta, una gran fuerza de unión iónica interna y una distribución uniforme de la fuerza de unión. Por lo tanto, la cerámica de corindón tiene las características de alta resistencia mecánica, excelente aislamiento eléctrico, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión química y buena biocompatibilidad.(2) Microestructura
En términos de microestructura, la cerámica de alúmina se compone principalmente de granos de alúmina con diferentes orientaciones agrupados a través de los límites de los granos. El grano es la forma y la unidad constituyente existentes de la fase cristalina en los materiales cerámicos policristalinos, es decir, el grano es un monocristal pequeño sin una forma geométrica determinada en los materiales policristalinos. En el proceso de formación y crecimiento, cada cristal crece hasta convertirse en un poliedro geométrico regular según su propio hábito de cristalización. Esta es la base para entender e identificar los cristales. Las diferencias y los cambios en las condiciones fisicoquímicas y el entorno externo durante el crecimiento de los cristales afectarán gravemente a la morfología de los cristales. En el caso de los materiales cerámicos, la microestructura será muy diferente. Si crecen libremente en un entorno mejor, el cristal puede convertirse en una forma cristalina completa según su propio hábito de cristalización, que se denomina cristal automórfico. Sin embargo, cuando el entorno de crecimiento es deficiente o se inhibe el crecimiento, la forma cristalina solo puede estar parcialmente completa o completamente incompleta, lo que se denomina cristal subédrico y cristal heteromórfico, respectivamente. La práctica ha demostrado que la fase cristalina principal de la misma composición, como la cerámica de alúmina, es α- Debido a los diferentes tamaños de grano, las propiedades mecánicas del Al2O3 serán muy diferentes y su resistencia a la flexión varía considerablemente. El límite de grano es un componente muy importante de los materiales cerámicos policristalinos. Tiene un impacto significativo en muchas propiedades físicas de los materiales, que se analizan aquí en combinación con la resistencia mecánica. Los resultados experimentales muestran que el fallo de los materiales cerámicos se produce principalmente a lo largo del límite del grano. Para los materiales cristalinos finos, la proporción del límite del grano es grande. Cuando la grieta se destruya a lo largo del límite del grano, la propagación de la grieta debería tomar un camino tortuoso y cuanto más fino sea el grano. Cuanto más largo sea el viaje. En el caso de materiales quebradizos, como la cerámica, el tamaño inicial de la grieta equivale al tamaño del grano, por lo que cuanto más fino sea el grano, menor será el tamaño inicial de la grieta y mayor será la resistencia mecánica. Por lo tanto, para obtener buenas propiedades mecánicas, debemos estudiar y controlar el tamaño del grano. Además, debido a la disposición irregular y a la distribución desigual de las partículas en el límite del grano, se forma una tensión límite de microgranos. Para los materiales policristalinos monofásicos, el coeficiente de expansión térmica y el módulo de elasticidad de los granos adyacentes en la misma dirección son diferentes debido a la diferente orientación de los granos; para los policristales multifásicos, Hay más diferencias de rendimiento entre las fases; en el caso de una solución sólida, la fluctuación de la composición química entre los granos también produce una gran tensión en el límite del grano. Cuanto mayor sea el tamaño del grano, mayor será la tensión límite del grano. Esta tensión en los límites de los granos puede incluso provocar la fractura transgranular de los granos grandes, lo que puede ser una de las razones de la mala resistencia mecánica de los materiales cerámicos de grano grueso. Por lo tanto, en el proceso de producción de la cerámica de alúmina, para controlar el crecimiento excesivo de los granos, especialmente para evitar la recristalización secundaria, a menudo se añade una pequeña cantidad de MgO en el proceso de tratamiento de la materia prima α- Se forma una fina capa de espinela de magnesio y aluminio en el límite del grano entre los granos de Al2O3 α- Los granos de Al2O3 están rodeados para evitar el crecimiento del grano y convertirse en una estructura de grano fino. En segundo lugar, debido a la gran cantidad de impurezas en las materias primas y a la gran cantidad de aditivos, las sustancias de la segunda fase suelen precipitarse en el límite del grano, lo que también tiene un impacto muy importante en las propiedades del material. En resumen, controlar la microestructura de la cerámica de alúmina mediante un proceso determinado es una forma importante de mejorar sus propiedades.