Les matériaux céramiques bioinertes font principalement référence à des matériaux céramiques dotés de propriétés chimiques stables et d'une bonne biocompatibilité. La structure de ces matériaux céramiques est relativement stable, la force de liaison des molécules est relativement forte et ils présentent une résistance mécanique, une résistance à l'usure et une stabilité chimique élevées. Les céramiques bioinertes incluent les céramiques à base d'alumine, les monocristaux d'alumine, les céramiques à base de zircone, les vitrocéramiques, etc.
Céramique à base d'alumine
(1) Structure et propriétés des céramiques à base d'alumine
① Structure cristalline
Les céramiques à base d'alumine font référence au corindon comme phase cristalline principale (α- Al2O3). L'α- Al2O3 possède la structure la plus stable car la forme cristalline du corindon naturel est α- Al2O3, donc on l'appelle aussi structure du corindon. L'α- Al2O3 appartient au système cristallin hexagonal. Les ions oxygène sont regroupés de manière hexagonale et un octaèdre est formé par six ions O2. Le centre de la fente octaédrique est rempli d'un ion Al3 + de petit rayon. Le corindon possède une structure compacte, une force de liaison ionique interne importante et une distribution uniforme de la force de liaison. Les céramiques en corindon présentent donc les caractéristiques suivantes : haute résistance mécanique, excellente isolation électrique, résistance aux hautes températures, résistance à la corrosion chimique et bonne biocompatibilité.(2) Microstructure
En termes de microstructure, les céramiques à base d'alumine sont principalement composées de grains d'alumine de différentes orientations, rassemblés par joints de grains. Le grain est la forme existante et l'unité constitutive de la phase cristalline des matériaux polycristallins céramiques, c'est-à-dire que le grain est un petit monocristal sans forme géométrique précise dans les matériaux polycristallins. Au cours du processus de formation et de croissance, chaque cristal devient un polyèdre géométrique régulier selon ses propres habitudes de cristallisation. C'est une base pour comprendre et identifier les cristaux. Les différences et les modifications des conditions physicochimiques et de l'environnement extérieur au cours de la croissance des cristaux affecteront sérieusement la morphologie des cristaux. Pour les matériaux céramiques, la microstructure sera très différente. S'ils croissent librement dans un meilleur environnement, le cristal peut prendre une forme cristalline complète selon son propre mode de cristallisation, appelé cristal automorphe ; Cependant, lorsque l'environnement de croissance est mauvais ou que la croissance est inhibée, la forme cristalline ne peut être que partiellement complète ou complètement incomplète, appelées respectivement cristal sous-édrique et cristal hétéromorphe. La pratique a prouvé que la phase cristalline principale d'une même composition, comme la céramique à base d'alumine, est α- En raison de la taille des grains, les propriétés mécaniques de l'Al2O3 peuvent être très différentes et sa résistance à la flexion varie considérablement. La limite des grains est un composant très important des matériaux polycristallins céramiques. Cela a un impact significatif sur de nombreuses propriétés physiques des matériaux, qui sont abordées ici en combinaison avec la résistance mécanique. Les résultats expérimentaux montrent que la rupture des matériaux céramiques se produit principalement au niveau de la limite des grains. Pour les matériaux cristallins fins, la proportion de joints de grains est importante. Lorsque la fissure est détruite le long de la limite des grains, la propagation de la fissure doit suivre une trajectoire tortueuse, et plus le grain est fin. Plus le trajet est long. Pour les matériaux fragiles tels que la céramique, la taille initiale des fissures est équivalente à la taille des grains. Ainsi, plus le grain est fin, plus la taille initiale de la fissure est petite et plus la résistance mécanique est élevée. Par conséquent, afin d'obtenir de bonnes propriétés mécaniques, nous devons étudier et contrôler la taille des grains. De plus, en raison de la disposition irrégulière et de la répartition inégale des particules à la limite des grains, une micro-contrainte à la limite des grains se forme. Pour les matériaux polycristallins monophasés, le coefficient de dilatation thermique et le module d'élasticité des grains adjacents dans la même direction sont différents en raison de l'orientation différente des grains ; pour les polycristaux polyphasiques, Il y a davantage de différences de performance entre les phases ; pour les solutions solides, la fluctuation de la composition chimique entre les grains provoquera également une forte contrainte à la limite des grains. Plus la taille des grains est grande, plus la contrainte limite entre les grains est importante. Cette contrainte à la limite des grains peut même provoquer une fracture transgranulaire des gros grains, ce qui explique peut-être en partie la faible résistance mécanique des matériaux céramiques à gros grains. Par conséquent, lors du processus de production de céramiques à base d'alumine, afin de contrôler la croissance excessive des grains, notamment pour empêcher la recristallisation secondaire, une petite quantité de MgO est souvent ajoutée lors du traitement des matières premières α- Une fine couche de spinelle de magnésium et d'aluminium se forme à la limite des grains d'Al2O3. Les grains d'Al2O3 sont entourés pour empêcher la croissance des grains et obtenir une structure granuleuse fine. Ensuite, en raison de la grande quantité d'impuretés présentes dans les matières premières et de la grande quantité d'additifs, les substances de la deuxième phase sont souvent précipitées à la limite des grains, ce qui a également un impact très important sur les propriétés du matériau. Bref, la manière de contrôler la microstructure de la céramique à base d'alumine par le biais d'un certain processus est un moyen important d'améliorer ses propriétés.