摘 要

本课题主要研究了人工髋关节假体用氧化铝生物陶瓷，完成了氧化铝陶瓷的制备、表征工作，并对氧化铝陶瓷的烧结进行了分析及讨论。

本文选取以高纯超细α-Al₂O₃作为原材料，同时在其中添加4wt%的Mg（MgO）-Zr(ZrO₂)-Y(Y₂O₃)固相复合烧结添加剂。采用氨水沉积包裹法结合超声波分散混料，干燥研磨后于1280℃煅烧，使用聚乙烯醇造粒后成型，成型方法选择钢模预压和冷等静压相结合的成型工艺。在1150℃预烧坯体，经初步机加工后，在常压、1600℃低温烧结2.5h得到成品试样。测试结果表明，制备的试样具有优良的机械性能。试样的主要晶相组成为Al₂O₃、MgAl₂O₄、t-ZrO₂，且平均粒径约为2.512μm。

经分析，MgO、ZrO₂在高温条件下可与Al₂O₃形成不连续固溶体，一定程度上促进烧结反应中的反应物扩散过程。Mg² 、Zr⁴ 置换Al³ ，进入Al₂O₃晶格，由于各离子之间的粒径、电荷差异，晶格内产生空位，引起晶格畸变，提高Al₂O₃烧结活性，促进烧结反应的进行。与此同时，MgO可与Al₂O₃发生固相反应生成MgAl₂O₄，抑制晶粒长大，促进气孔排出，活化Al₂O₃颗粒表面，增强烧结驱动力，促进烧结进行。由于材料内部的细晶强化机理和ZrO₂的相变增韧机理的作用，本文制备的氧化铝陶瓷材料具有优良的力学性能。

关键词：氧化铝生物陶瓷；固相复合添加剂；低温常压烧结；机械性能

Abstract

In this project , we mainly studied the alumina bioceramic for artificial hip joint femur head prosthesis . We finished the preparation and characterization for alumina bioceramic . Then we make analysis and discussion on the sintering of alumina bioceramic .

High purity α-Al₂O₃ micro-powder was used as raw material . Mg（MgO）-Zr(ZrO₂)-Y(Y₂O₃) solid phase composite additives were added into α-Al₂O₃ micro-powder and total percentage content of additives is 4% in weight . Raw material and composite additives were mixed by chemical coprecipitation method with ammonia and dispersed by supersonic wave . Then the deposit was calcinated at 1280℃ after dried and ground . We finished the granulation process with the use of polyvinyl alcohol ,and the powder was pressed in steel die and shaped by cold isostatic pressure then . The samples were presintered at 1150℃ for machine processing , and then sintered at 1600℃ under normal pressure for 2.5h . As it is shown in the testing results , the samples in this study exhibited excellent mechanical property. The mainly amorphous phase of the samples were Al₂O₃、MgAl₂O₄ and t-ZrO₂ . The average grain size of the material was counted as 2.512μm .

The research on the sintering course showed that the formation of the discontinuous solid solution of MgO、ZrO₂ and Al₂O₃ at high temperature will promote the diffusion of reactants in the sintering process . Mg² and Zr⁴ take the place of Al³ , enter the Al₂O₃ crystal lattice . The differences in the radii or charges of Mg² 、Zr⁴ and Al³ will transform the Al₂O₃ crystal lattice , which actived the crystal lattice and promote the sintering course . At the same time , the solid phase reaction of MgO and Al₂O₃ inhibited grain growth and promoted stomatal discharge . The production of MgAl₂O₄ also active the surface of Al₂O₃ grain , which increased the sintering driving force and finally promoted the sintering process . We believed that the excellent mechanical property was the result of fine-grain strengthening mechanism and transformation toughening mechanism of ZrO₂ .

Key words：alumina bioceramic ；solid phase composite additives ；low temperature and normal pressure sintering ；mechanical property

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 生物陶瓷材料 1

1.2.2 氧化铝陶瓷 1

第2章 实验材料与设备 3

2.1 实验材料 3

2.2 实验配方 3

2.3 实验设备 3

2.4 测试设备 4

2.5 本章小结 4

第3章 实验方法 5

3.1 氧化铝陶瓷的制备方法 5

3.1.1 制备流程 5

3.1.2 原料及烧结添加剂的选取 5

3.1.3 氨水沉积包裹法混料 6

3.1.4 1280℃煅烧 6

3.1.5 聚乙烯醇造粒 8

3.1.6 钢模预压和冷等静压 8

3.1.7 1150℃预烧 8

3.1.8 1600℃烧结 8

3.1.9 具体步骤 10

3.2 氧化铝陶瓷的表征方法 10

3.2.1 开口气孔率(p)及体积密度(d)的测试 11

3.2.2 弯曲强度(σ)及断裂韧性(k_IC)的测试 12

3.2.3 硬度的测试 12

3.2.4 X射线衍射分析 12

3.2.5 扫描电子显微镜分析 12

3.2.6 详细说明 13

3.3 本章小结 13

第4章 结果分析与讨论 14

4.1 测试结果分析 14

4.1.1 开口气孔率(p)及体积密度(d)的测试 14

4.1.2 弯曲强度(σ)及断裂韧性(k_IC)的测试 15

4.1.3 X射线衍射分析 15

4.1.4 扫描电子显微镜分析 15

4.2 烧结添加剂对烧结过程的影响分析 17

4.2.1 烧结反应概述 17

4.2.2 MgO对氧化铝陶瓷烧结的影响 17

4.2.3 ZrO₂(Y₂O₃)对氧化铝陶瓷烧结的影响 18

4.3 烧结添加剂对产物性质的影响分析 18

4.3.1 细晶强化机制 18

4.3.2 相变增韧机制 19

4.3.3 其他因素 19

4.4 本章小结 19

第5章 结语 21

5.1 主要结论 21

5.2 存在的问题 21

5.3 进一步的研究方向 22

参考文献 23

致 谢 25

1. 绪论
   1. 研究背景、目的及意义

随着经济社会的发展，人们生活条件的改变和寿命的增加，以及事故创伤的增多，关节受损也成为困扰现代人的一大疾病。关节损伤发病率的增加，使得患者对于人工关节假体的需求日益增加。由于髋关节在人体中发挥着极其关键的支撑作用，且髋关节也是人体中比较容易发生病变、产生磨损的关节，因此人工髋关节假体也是国内外学者研究的热点。研究新型的适用于人工髋关节假体的材料对于关节疾病患者的治疗具有重要意义。

随着材料科学技术的发展进步，医用生物陶瓷材料被用于髋关节的制备。其中，高纯氧化铝（Al₂O₃）生物陶瓷作为一种生物惰性陶瓷，具有相当高的抗压强度，优良的耐磨性能，良好的耐热性，良好的耐腐蚀性能，因此被广泛应用于人工髋关节的制备。本课题开展高性能氧化铝生物陶瓷髋关节股骨头假体材料的制备技术研究，为新型髋关节股骨假体的临床应用提供技术支撑。

• 1. 国内外研究现状
     1. 生物陶瓷材料

生物陶瓷自20世纪60年代起，便成为国内外学者的研究热点，生物陶瓷的发展经历了由机械取代天然骨骼到参与骨骼合成，最后到提供骨骼细胞自然增殖的外部环境的变化^[1]。目前生物陶瓷被广泛应用于人工骨，人工关节，人工齿根，骨充填材料，骨置换材料，骨结合材料，还可应用于人造心脏瓣膜，人工肌腱，人工血管，人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测等^[2]。生物陶瓷材料主要分类及临床应用如表1.1所示^[3]。经综合考量，本课题选择了高纯氧化铝（Al₂O₃）生物陶瓷用于人工髋关节假体的制备。

• • 1. 氧化铝陶瓷

氧化铝生物陶瓷凭借其优良性能，在上世纪60年代后期便被广泛用于硬组织修复，70年代至80年代中期，世界许多国家如美国、日本、瑞士等国家，都对氧化铝生物陶瓷进行了广泛的研究和应用。70年代，氧化铝陶瓷开始应用于人工全髋关节置换术。

由于纯氧化铝陶瓷很难烧结,其烧结温度通常在1700℃~2000℃,且常需要热压、气氛或真空条件，因此目前氧化铝生物陶瓷的研究主要集中在进一步优化其制备加工生产的工艺条件，从而提高材料的力学性能。一方面，研究人员通过改进工艺来制备出优良的氧化铝生物陶瓷。随着热等静压成形术等技术的应用，新一代氧化铝生物陶瓷晶粒更小，纯度及密度更高，强度和硬度得到显著增加，碎裂率显著降低^[4]。另一方面，研究人员也通过在氧化铝基体中掺杂各种烧结添加剂，以改善氧化铝生物陶瓷的性能。研究表明，在氧化铝基体中加入稀土氧化物如氧化钇、氧化镧等为烧结添加剂，可极大地促进氧化铝陶瓷的烧结,对于气氛的要求也可大大降低^[5]。