关于医用陶瓷材料课件

图4-2 萤石的点阵结构
图4-3 刚玉的点阵结构
陶瓷材料的工艺特点 • 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高
温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。
• 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在
的问题是其存在一定的气孔率。
Al2O3粉末的烧结组织
ZrO2陶瓷中的气孔
5.2.2陶瓷材料的力学性能
功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。图4-1是几种常见的生 物陶瓷制品。
人工髋关节
羟磷灰石生物陶瓷人工骨 几种常见的生物陶瓷制品
全瓷牙
生物陶瓷的分类
• 根据种植材料与生物体组织的反应程度，可 将生物陶瓷分为三类:生物惰性陶瓷、生物活 性陶瓷和生物可降解（吸收）陶瓷。
• 1）生物惰性陶瓷 在生物体内化学性质稳定，生物相容性好， 无组成元素溶出，对机体无刺激的陶瓷。
关于医用陶瓷材料
5.1概述
1）陶瓷（无机非金属材料）的基本概念及分类 ➢ 陶瓷是指用天然或人工合成的粉状化合物经过成型和高温烧
结制成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶或 非晶固体材料。陶瓷可分为 普通陶瓷（传统陶瓷）和特种 陶瓷（近代陶瓷）。传统的陶瓷都是以由硅、铝、氧三种主 要元素形成的天然硅酸盐矿物为主要原料(如粘土、长石、 硅石)制成的材料。而把近代陶瓷称为“新型陶瓷”(New Ceramics)或“精细陶瓷”(Fine Ceramics)
3 气相：气孔（5％－10％）。 对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低， 绝缘性能降低。 对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小
• 陶瓷的结构类型可以用AmXn表示（表4-2）。A代表金属元 素；X代表非金属元素；m和n代表整数。最简单的陶瓷化合 物为AX型陶瓷晶体。
• AX化合物有三种形式，主要取决于原子的半径比率。如果 RA/RX>0.732则为一简单的立方体结构，如CsCl结构，A原 子（或离子）位于8个X原子的中心。如果离子的半径比率 完全不同，则呈现出面心立方体结构，如NaCl、KCl、LiF、 MgO、CaO、MnO等化合物，这类结构以阴离子为面心立 方点阵，阳离子位于其晶胞和棱边的中心；也可以非立方结 构的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其结构原子排列比 较复杂，形成硬而脆的陶瓷材料。
• 氧化铝陶瓷
• 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高 铝陶瓷。
单相Al2O3陶瓷组织来自Al2O3密封、气动 陶瓷配件
Al2O3化工、耐磨陶 瓷配件
氧化锆陶瓷
ZrO2
氧 化
锆
单
相
陶
瓷
2）生物陶瓷的基本概念及分类 • 生物陶瓷是通过植入人体或是与人体组织直接接触，使机体
3）生物可降解陶瓷（生物吸收陶瓷） (Biodegradable)
• 这类材料在生物体内能诱导骨质生长，并 逐步降解、吸收，被新生骨取代，从而达 到修复或替换病损组织的目的 。
磷酸三钙 [Ca3(PO4)2，TCP]
三种生物陶瓷材料与骨结合的形式：
生物惰性陶瓷：植入人体后成纤维细胞在其表面增 殖，最终形成纤维组织包囊，形成纤维接触界面。
5.2.1 陶瓷的结构
一般来说，陶瓷是一种多晶材料，它是由晶粒和 晶界所组成的烧结体，显微组织由晶体相，玻璃相 和气相组成。由于各相的相对量变化很大，分布也 不均匀，所以使各相的组成，结构，数量，几何形 状及分布状况都不相同，直接影响陶瓷材料的性能。
陶瓷的组成
1.结晶相：主要组成相（如Al2O3）， 由离子键或共价键结合而成，决定陶 瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化 学稳定性、高绝缘性、高脆性。 2 玻璃相：非晶态固体（如石英玻璃）， 将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑 制晶相晶粒长大和填充气孔。
表4-2 AmXn结构
化合物
A(或X)晶 格
配位数
位置填满
最小值 RA/RX
其他化合物
CsCl
BCC
8
全部
0.732
Csl
NaCl
FCC
6
全部
0.414 MgO、MnS
ZnS
FCC
4
1/2
0.225 CdS、ZnO
Al2O3
HCP
6
2/3
0.414 Cr2O3、Fe2O3
• 当陶瓷化合物的金属离子和非金属离子不同时，构成萤石型 结 构 或 刚 玉 型 结 构 。 萤 石 结 构 的 氧 化 物 有 CeO2 、 PrO2 、 ZrO2等（图4-2）。刚玉（Al2O3）型结构的氧化物有Fe2O3、 Cr2O3、Ti2O3、Ca2O3等（图4-3）。
• 普通陶瓷加工成型性好，
成本低，产量大。
景 德
• 除日用陶瓷、瓷器外，
镇 瓷
大量用于电器、化工、
器
建筑、纺织等工业部门。
绝 缘 子
• 特种陶瓷原料是人工提炼的，即纯度较高 的金属氧化物、碳化物、氮化物等化合物。 这类陶瓷具有一些独特的性能,可满足工程 结构的特殊需要.属于这类陶瓷的有压电陶 瓷、高温陶瓷、高强度陶瓷、生物医用陶 瓷、半导体陶瓷、环保陶瓷，等等.
如氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷、碳素材料（C）， 氮化硅（Si3N4）等
2）生物活性陶瓷
• 材料的生物活性：即生物材料在体液环境下通过化 学键和周围活体组织紧密结合的能力。
• 生物活性陶瓷：在生理环境中可通过其表面发生的 生物化学反应与骨组织形成化学键合。
羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2 生物活性玻璃 Na2O-CaO-P2O5-SiO2 生物活性玻璃陶瓷
•弹性
（1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。 ∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、 阻碍位错运动的阻力。 晶体结构复杂，滑移系很少，位错 运动困难。 （2）弹性模量呈方向性：压缩模 量高于拉伸弹性模量。 结构不均匀性：缺陷。 （3）气孔率↑，弹性模量↓
生物活性陶瓷（生物反应性陶瓷）：与成骨细胞较 成纤维细胞更易在其表面增殖，从而和新生骨直接 结合，形成骨性结合，而不会在界面处产生纤维组 织包囊。
生物吸收陶瓷：存在新骨形成并伴随陶瓷材料降解。
5.2 陶瓷结构与性能的关系
• 陶瓷材料是由共价键或离子键结合，含有金属与 非金属元素的复杂化合物和固溶体。陶瓷材料的 晶体结构比金属材料复杂且表面能小。因此其强 度（抗压强度）、硬度、弹性模量、耐磨性、耐 蚀性和耐热性要优于金属。但陶瓷的最大缺点是 韧性差，脆性极大，抵抗内部裂纹扩展能力很低， 所以容易发生脆性断裂。