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氧化铝陶瓷半髋关节股骨头材料的制备、性能及假体成型加工技术研究

王欣宇  
【摘要】: 本文研究高性能氧化铝生物陶瓷—金属配伍型人工半髋关节股骨头材料的制备、力学性能及假体的成型加工工艺,为解决氧化铝陶瓷烧结、机加工等技术难题提供具有一定理论参考和实际应用价值的研究结果。 本文在常压低温条件下制备了氧化铝陶瓷,系统研究了氧化铝陶瓷材料的力学性能、微观形貌、晶界显微结构、相组成和股骨头的精密成型、冷加工,并讨论了添加剂的作用、材料显微结构与力学强度的关系、材料的烧结机理及影响氧化铝材料结构与性能的因素。 首先,采用高纯超细α-Al_2O_3粉原料和MgO-ZrO_2(Y_2O_3)复合添加剂,用氨水沉积包裹法混料,使添加剂均匀分布于原料基体中。混合料脱水烘干后在1280℃下进行煅烧,使混合料中所含氢氧化物完全分解,得到烧结活性好的粉料。粉料采取模压和冷等静压相结合的方法压制,增大了坯体内部的密度并减少了应力的分布不均,得到均匀致密的陶瓷坯体。为满足烧结前坯体加工的要求,压制后的坯体在1150℃预烧,使其具备一定的加工强度,然后按照半髋关节股骨头假体的形状尺寸设计图在数控车床上进行精密车削成型。成型后的坯体置于硅钼棒电炉中,在常压、适当升温速率下于1600℃保温2.5小时烧结。经测试表明,所制备的氧化铝陶瓷综合力学性能优良。利用SEM、TEM研究了材料的微观形貌和晶界显微结构特点,用EDS、X-ray分析了材料晶界的相组成。最后,采用SiC超细粉和金刚石研磨膏对氧化铝陶瓷股骨头表面进行分级抛光,用专用器械修整其联接部位,得到表面具有近似镜面光洁度并与股骨柄配合良好的氧化铝陶瓷股骨头,并与表面涂覆生物活性涂层的钛合金股骨柄配伍,最终获得人工半髋关节假体。 对MgO-ZrO_2(Y_2O_3)复合添加剂的作用及氧化铝陶瓷显微结构与力学性能的研究表明,MgO-ZrO_2(Y_2O_3)复合添加剂能有效促进材料烧结,抑制晶粒异常长大并起到较好的增韧作用,提高氧化铝陶瓷力学性能。当MgO-ZrO_2(Y_2O_3)含量为4%,MgO与ZrO_2(Y_2O_3)质量比为1:1时,在常压低温(1600℃)烧结,材料的主晶相为α-Al_2O_3,开口气孔率接近于零,平均粒径为2.58μm,双轴弯曲强度为261.79MPa,断裂韧性为5.46MPa m~(1/2),磨损量为0.098mm~3;材料晶粒小而均匀,没有异常长大的晶粒,晶界上未发现有明显的气孔、残存玻璃相和裂纹。MgO能与Al_2O_3发生固相反应生成主要存在于材料晶界处的MgAl_2O_4,限制了晶界的迁移,从而抑制了氧化铝晶粒的异常长大。ZrO_2(Y_2O_3) 武四理了大学厚全学夕讼戈 对氧化铝陶瓷的增韧机制主要来自材料晶界处的t一ZrO:的相变增韧,随 zrq(姚。3)含量的增加,氧化铝陶瓷的断裂韧性增大20%以上。MgA12O;和 zro:平均热膨胀系数与A1203的热膨胀系数比较接近,匹配性较好,不会产 生明显的热应力,有利于氧化铝陶瓷力学强度的提高。 对氧化铝陶瓷烧结过程和机理的研究表明,Mgo一ZrOZ(YZO3)复合添加剂 促进烧结的机制为Mg2+和Zr’十同时进入A12伪晶格,使A12o;晶格产生较大 的变形,从而活化晶格,促进晶格扩散,加快了物质的传递;同时,MgO与 A1203的固相反应活化了A12O3颗粒表面,使其具备更高的表面能,加大了烧 结驱动力,从而促进烧结。因添加剂的含量少,液相烧结的作用不是主要的, 氧化铝陶瓷的烧结机理是固相烧结。 对氧化铝陶瓷股骨头假体精密成型和冷加工工艺的研究发现,按编制的 程序在数控车床上进行精密车削成型,能加工出符合形状和尺寸设计要求的 氧化铝陶瓷股骨头假体。车削成型时的加工尺寸根据假体最终要求尺寸和氧 化铝陶瓷在1600℃烧结前后的线收缩率计算后确定。经200目SIC超细粉24 小时抛光后,氧化铝陶瓷股骨头表面光滑,无积垢、划痕、刮伤、裂纹、空 洞、毛刺及其它会损害其植入可靠性的缺陷;经W0.5金刚石研磨膏36小时 抛光后,氧化铝陶瓷股骨头表面达到近似镜面光洁度。经专用器械磨削加工 后,氧化铝陶瓷股骨头假体与钦合金股骨柄联接部位内表面无包埋微粒、刮伤、 刻痕等缺陷;股骨头假体与钦合金股骨柄能紧密配合,联接部位为面接触, 配合公差延0.08mm。


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