生物陶瓷实例

2015/12/10
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复相陶瓷材料SEM观察
4. 裂纹扩展路径的观察
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复相陶瓷材料TEM观察
（ a）
图3-17 1800℃-nmZTA-12.5%BN复相陶瓷的TEM观察 （a）三相分布 2015/12/10 21
复相陶瓷材料TEM观察
（ b） （c）
（b）t-ZrO2的电子衍射斑点， （c）Al2O3的电子衍射斑点， （d）BN的电子衍射斑点 2015/12/10 22
850 674 650 450 250 50 1500 1600 1700 1800 Sintering Temperature / ℃
图3-23 不同烧结温度下μmZTA/BN与nmZTA/BN的强度比较 2015/12/10 27
Flexural Strength / Mpa …...
730
μmZTA/BN nmZTA/BN 327 246 135 115 354
复相陶瓷材料TEM观察
图3-18 1800℃-nmZTA-15%BN复相陶瓷的TEM观察 (a)、(b)、(c)为TEM照片，(d)氧化锆与氧化铝的界面观察， （e）氧化铝与氮化硼的界面观察，（f）氧化锆与氮化硼的界面观察 2015/12/10 23
复相陶瓷材料TEM观察
对比实验
图3-19 1800℃-nmZTA-12.5%BN（BN直接加入）复相陶瓷中h-BN的TEM观察 2015/12/10 24
图3-7 1700℃烧结复相陶瓷的致密度 及密度随BN含量的变化曲线
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复相陶瓷材料SEM观察
1. 抛光表面的观察与分析
图3-8 1800℃-nmZTA-15%BN的二次电子照片
图3-9 1800℃-nmZTA-15%BN的背散射照片
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复相陶瓷材料SEM观察
复相陶瓷材料力学性能
1. 抗弯强度和断裂韧性
图3-20 μmZTA-20%BN的强度及韧性随烧结温度变化曲线
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复相陶瓷材料力学性能
图3-21 1700℃-nmZTA/BN材料强度及韧性随BN含量的变化曲线
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复相陶瓷材料力学性能
2. 氧化锆初始粒径大小对抗弯强度及断裂韧性的影响
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表2-2 对比实验原料成分设计
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实验材料及研究方法
图2-4 热压反应烧结的工艺制度
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图2-2 工艺流程图
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牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
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结论
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课题背景及意义
• 随着国民经济的持续发展，现代人对牙齿美容、保健的重视程度不断 提高，牙科冠桥需求量不断增长。而我国口腔医用陶瓷材料主要依靠 进口，市场价格很高。研究低成本，高性能的牙科生物陶瓷材料具有 非常重要的社会意义和经济价值。
• ZTA（氧化锆增韧氧化铝）具有高的强度和韧性，被认为是一种应用 前景广阔的结构陶瓷。 但是其可加工性较差，限制了其在牙科领域的 应用。本文拟采用ZTA/BN复合的方式提高其可加工性。
1000℃高温氧化 后 423 417
表5-3 高温氧化前后复相陶瓷材料的硬度变化
（GPa）
高温氧化 1000℃高温 前 氧化后 1600℃-nZTA-25%BN 1700℃-μ ZTA-25%BN
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2.8 4.7 10.3
6.2 6.9 13.2
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1800℃-nZTA-15%BN
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2. 断口的观察与分析
图3-10 1800℃-nmZTA-12.5%BN的背散射照片
图3-12 1800℃-nmZTA-12.5%BN的二次电子照片
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复相陶瓷材料SEM观察
3. 对比实验
图3-14 1800℃-nmZTA-0%BN的二次电子照片
图3-15 1800℃-nmZTA-0%BN的背散射照片
2. 对比实验
反应生成 0%BN BN直接加入 1800℃-nmZTA
图3-3 对比实验的XRD图谱 （a）1800℃-nmZTA-12.5%BN（BN直接加入）， （b）1800℃-nmZTA-0%BN， （c）1800℃-nmZTA-12.5%BN(BN反应生成)
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ZTA/BN复相陶瓷的物相分析
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结论
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ZTA/BN复相陶瓷的物相分析
1.烧结前后物相变化 2AlN + B2O3 + ZrO2 = Байду номын сангаасl2O3 +2BN + ZrO2
图3-2 1800℃-nmZTA-12.5%BN复相陶瓷烧结前后物相变化 (a)反应热压烧结前，(b)反应热压烧结后
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ZTA/BN复相陶瓷的物相分析
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
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结论
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结论
(1) 通过XRD物相分析可知，H3BO3和AlN在高温下发生反应，生成 Al2O3和BN，没有其他杂质相的生成。随烧结温度的升高，复相陶 瓷材料的抗弯强度和断裂韧性逐渐增大；随所生成BN含量的增加， 复相陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性逐渐降低。 (2) 从试样断口的SEM照片中可以观察到，在氧化锆及氧化铝晶粒之间 有大量的团簇状的BN片晶生成，片宽500nm左右，片厚50nm左右。 这种BN片晶的生成有利于改善材料的力学性能及可加工性能。
牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
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结论
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高温氧化及表面裂纹修复
1. 高温氧化前后物相变化
图5-2 高温氧化前后物相分析 （a）室温，（b）900℃，（c）1000℃，（d）1200℃ 2015/12/10 33
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结论
(3) 试样的TEM观察从微观角度解释了反应热压体系为什么能有效抑制在 烧结降温过程中氧化锆发生t→m相变。氧化锆主要以t相形式存在，与 XRD结果向吻合。 (4) 所制备的复相陶瓷材料具备高强度的同时拥有良好的可加工性能。
(5) 1000℃以上的温度高温氧化前后，复相陶瓷表面物相发生了很大变 化，主要是氮化硼和氧化铝反应生成了硼酸铝，并有少量的t-ZrO2转 变为m-ZrO2。通过对高温氧化前后强度的变化推测高温氧化后预制 裂纹得到修复。
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复相陶瓷材料力学性能
3. 复相陶瓷材料的硬度
14 12 10 μmZTA/BN nmZTA/BN 5.9 4.7 3.1 1.3 1 1500 1600 Sintering Temperature / ℃ 1700 12
(a)
HV / GPa
8 6 4 2 0
100μm
(b)
图3-25 复相陶瓷材料的硬度
稀土磷酸盐系复相陶瓷
h-BN系复相陶瓷
Rubert Ruh. B4C/BN, Mazdiyasni，Si3N4/BN Z.T.Zhang. MgAlON/BN
ZTA/BN
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目标
牙科 ZTA/BN 可加工
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牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
ZTA/BN复相陶瓷的物相分析
4. 20%BN不同的烧结温度下复相陶瓷材料的XRD分析
1700℃ 1600℃ 1500℃ nmZTA-20%BN
图3-5 相同含量不同的烧结温度下复相陶瓷材料的XRD图谱 （a）1500℃-nmZTA-20%BN，（b）1600℃-nmZTA-20%BN， （c）1700℃-nmZTA-20%BN 2015/12/10 15
100μm
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图3-26 复相陶瓷材料的压痕形貌 （a）1700℃-μmZTA-20%BN， （b）1600℃-nmZTA-20%BN
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牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
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结论
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可加工性能
1. 钻孔实验
图4-3 1800℃-nmZTA-12.5%BN 复相陶瓷钻孔宏观照片
图4-2 1700℃烧结温度下复相陶瓷材料 钻孔速率随BN含量增加的变化曲线
φ3mm的硬质合金钻头
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可加工性能
2. 钻孔前后物相变化
图4-5 钻孔前后物相变化 （a）钻孔前复相陶瓷XRD图谱，（b）钻孔后复相陶瓷钻屑XRD图谱 2015/12/10 31
高温氧化及表面裂纹修复
图5-3 高温氧化层磨削前后物相对比 （a）高温氧化前，（b）1200℃高温氧化后， （c）1200℃高温氧化后，表面磨削0.2mm
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高温氧化及表面裂纹修复
2. 高温氧化前后强度 及硬度变化
表5-2 高温氧化前后复相陶瓷材料的抗弯强度变化 （MPa）
高温氧化前 无压痕 有压痕 626 157
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结论
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实验材料及研究方法
h-BN
ZTA
2AlN + B2O3 + ZrO2 = Al2O3 +2BN + ZrO2
BN
0%~30% vol
原位反应热压烧结 热力学计算：ΔＧ＜０
对比实验： 将BN直接加入到ZTA中
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表2-1 反应热压体系原料成分设计
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牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应 制备及力学性能
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主要内容
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
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结论
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牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能
课题背景及意义 实验材料及研究方法 ZTA/BN复相陶瓷的组织结构及力学性能 ZTA/BN可加工性能 高温氧化及表面裂纹修复
高温氧化及表面裂纹修复
3. 高温氧化前后表面形貌SEM观察
硼酸铝晶须
图5-3 1800℃-nZTA-15%BN样品1000℃ 高温氧化后表面形貌的背散射照片 2015/12/10
图5-4 1800℃-nZTA-15%BN样品1000℃ 高温氧化后表面形貌的二次电子照片 36
牙科ZTA/BN可加工陶瓷的反应制备及力学性能
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课题背景及意义
可加工性能 可加工玻璃陶瓷 石墨系复相陶瓷 可加工陶瓷
石墨 云母 CePO4 层状 h-BN Z.H.Jin. Al2O3/BN，Y-ZrO2/BN,SiC/BN G.J.Zhang. BN/SiC，BN/AlN，BN/Al2O3，BN/mullite
层状复相陶瓷
ZTA/BN复相陶瓷致密度
100 μmZTA-20%BN 系列1 nmZTA-20%BN 系列2 90 87 99 96 96
Relative Density / %
80
77
77
70
1500 1600 Sintering Temperature / ℃ 1700
图3-6 烧结温度及氧化锆粒度 对复相陶瓷材料致密度的影响
3. 1600℃烧结温度下不同含量BN的复相陶瓷材料XRD分析
30%BN 1600℃-μmZTA
20%BN
10%BN
图3-4 1600℃烧结温度下不同含量的复相陶瓷材料的XRD图谱 (a)1600℃-μmZTA-10%BN，(b)1600℃-μmZTA-20%BN， (c)1600℃-μmZTA-30%BN 2015/12/10 14