纳米氧化锆医用陶瓷的力学性能研究Word格式文档下载.docx
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Abstract
Ceramicispraisedas“futurematerial”foritsuniqueproperties,especiallyisconsideredtobethebestchoiceasprostheticsmaterialsbecauseofitsexcellentbiocompatibility、corrosionandabrasiveresistance、natureaesthetictraits.Nowtheporcelain-fused-to-metal（PFM）restorationhasbecomethemostcommonlyclinicalrestorativewaysincethematchingproblembetweenceramandmetalmaterialwasresolvedinthe60s’lastcentury.Butthemetalsubstructuresexistmanyshortcomingssuchasthepoorbiocompatibilityandpooraestheticscausedbythedepositionofmetalions,theabsenceofnaturevigourbecauseofthepoortransparence,etal.Toovercomethedisadvantages,all-ceramrestorationwhichsubstitutetheceramiccorecrownformetalsubstructurehasbecomethedeveloppingtrendandresearchingfocus.Buttheinherentbrittlenessandlowerstrengthlimittheall-cerammaterials’application.researchersareattempingtoovercomethebrittleness、enhanceitsfracturestrengthandtoughness.Withthedeveloppingofnanotechnology,nano-ceramicwasconsideredtobethestatisticwaytoresolveceramic’sbrittleness.Sothekeyideainthisstudywastobringnano-materialsintodentalmaterialresearch,combinethetougheningeffectofphasetransformationofZirconiaandnano-particlestodevelopnewtypeofZirconianano-ceramiccomposites,whichhavebettermechanicalpropertiesandcanmeetthedemandofprostheticsmaterial.Inaddition,wetrytouseadvancedSPStechnologytodevelopZirconianano-ceramiccompositesfordentalapplication,andgetsomebenefitresults.
Keywords:
dentalceramic;
zirconia;
aluminia;
precipitation;
ultrasonic;
nano-powder;
nano-compositeceramicmaterials;
mechanicalproperties.
目录
摘要..........................................................Ⅰ
Abstract......................................................Ⅱ
目录.........................................................Ⅲ
第一章绪论..................................................1
1.1陶瓷..............................................................1
1.2氧化锆...............................................................3
1.3纳米氧化锆陶瓷......................................................8
第二章纳米氧化锆陶瓷的相变增韧机制及制备....................11
2.1氧化锆的相变及特点..................................................11
2.2氧化锆的增韧机制...................................................12
2.3氧化锆的制备方法...................................................14
2.4纳米氧化锆的主要增韧机理...........................................16
2.5纳米氧化锆的主要制备方法..........................................18
2.6纳米氧化锆的制备实验.............................................19
2.7纳米氧化锆的性能实验...............................................23
第三章平面磨削过程中温度场数值仿真的有限元分析.......................28
3.1有限元模型的建立...............................................28
3.2磨削区温度场的求解...............................................34
3.3磨削区温度场的后处理...............................................37
3.4磨削参数对磨削区温度场的影响........................................39
第四章纳米氧化锆陶瓷磨削机理及磨削实验....................41
4．1传统磨削理论..................................................41
4.2纳米氧化锆材料磨削机理..............................................43
4.3纳米氧化锆高效深磨磨削力的试验....................................45
4.4纳米氧化锆陶瓷的表面磨削温度......................................60
4.5纳米氧化锆磨削后的表面形貌分析....................................63
第五章纳米氧化锆陶瓷的特性研究............................65
5.1纳米陶瓷及微粒的表面改性..........................................65
5.2表面处理方法对牙科氧化锆陶瓷表面相结构及微观结构影响................66
5.3提高牙科陶瓷强度的主要方法........................................67
总结.......................................................70
参考文献.....................................................72
致谢........................................................74
附件1........................................................75
附件2........................................................92
第一章绪论
1.1陶瓷
陶瓷有着光辉的历史，代表着人类灿烂的文化，人类的文明史从一定程度上讲又是一部陶瓷的发展史。
随着科学的发展和社会文明的进步．人们对陶瓷制品的要求越来起高．不仅要求其其有良好的机械性能，而且要具有声、光、电，热、磁等特殊性能，由此先进陶瓷应运而生。
先进陶瓷的化学组成扩大到硅酸盐以外更广阔的范围．不但克服了原有的许多弊端．并且增加了许多新的特性，先进陶瓷以其超越普通陶瓷的抗氧化、抗热震耐腐蚀、耐磨损、耐高温、密度小、高绝缘等特性引起科技界的高度重现．它的发展将为人类文明的发展书写新的篇章。
1.1.1传统陶瓷
传统陶瓷是使用普通硅酸盐原科及部分化工原料，拄照一定的工艺方法．加工、成型、烧结而得到的满足人们日常生活需要或具有一定的艺术段赏价值主要起装饰作用的离陶瓷制品．随着科学技术的发展。
传统陶瓷已具有更好的装饰特性和技术性能，
1.1.2先进陶瓷
先进陶瓷作为一种新材料，以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会中将发挥重要的作用。
随着世界科学技术的不断进步，可以预见，先进陶瓷材料在21世纪必将获得惊人的发展。
先进陶瓷尚无精确定义，通常认为先进陶瓷是“采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷”。
按其特性和用途可分为两大类：
结构陶瓷和功能陶瓷。
先进陶瓷的高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能远远优于金属材料和高分子材料；
另外，先进陶瓷是根据所要求的产品性能，通过严格的成分和生产工艺控制而制造出来的高性能材料，因此可用于高温和腐蚀介质环境，是现代材料科学发展最活跃的领域之一。
先进陶瓷又可以分为结构陶瓷以及功能陶瓷。
（1）结构陶瓷
结构陶瓷可分为三大类：
氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和陶瓷基复合材料。
氧化物陶瓷主要包括氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷和莫来石陶瓷。
氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题。
氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能，高硬度和耐化学腐蚀性。
其主要缺点是在l0000℃以上高温蠕变速率高，机械性能显著降低。
氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。
非氧化物陶瓷主要包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷等。
非氧化物陶瓷在以下三个方面不同于氧化物陶瓷：
非氧化物陶瓷自然界很少存在，需要人工合成原料，然后再按照陶瓷工艺做成陶瓷制品；
非氧化物标准生成的自由焓一般都大于相应氧化物标准生成的自由焓。
所以，在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物。
氧化物原子间的化学键主要是离子键，而非氧化物一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷一般比氧化物陶瓷难熔和难烧结。
（2）功能陶瓷
功能陶瓷是具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷，已经具有极高的产业化程度。
其大致可以分为电子陶瓷、透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。
电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料以及导电、超导陶瓷。
耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。
其中，耐热陶瓷主要有Al203、Zr02、MgO、SiC．SiN几种。
由于它们具有高温稳定性，因此，作为耐火材料被应用于冶金行业以及其他行业。
隔热陶瓷材料主要指氧化物纤维、空心球，由于其具有很好的隔热效果被广泛地应用于各个领域。
生物陶瓷是指直接作用于人体或者与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料，广义讲，凡属于生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。
作为生物陶瓷材料应具备如下功能：
代替人体内有病的或损伤的部分，作为人体先天性缺损部分的代用品；
有助于人体内组织的恢复。
生物陶瓷除用于测量、诊断、治疗外．主要是作生物硬组织的代用材料，可应用在骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科、耳喉鼻科及普通外科等各个方面。
1.1.3陶瓷发展展望
近40年来，世界科学技术的高速发展令人瞩目，先进陶瓷的制备技术也随之日新月异，展望未来，纳米陶瓷材料将在下列几方面获得重大突破，对现代科技的发展和人类社会的进步做出重大的贡献：
①气相凝结法制备纳米粉体将成为先进陶瓷粉体研究发展的重点；
②快速原型制造技术（RPM）和胶肽成形将向传统成形技术挑战；
③微波烧结和放电等离子烧结（SPS）是获得纳米块状陶瓷材料的有效烧结方法；
④纳米材料的应用将为先进陶瓷材料带来新的活力。
陶瓷在现在社会中所起的作用越来越大，尤其是现代陶瓷，其应用领域已发展到工农业生产、国民经济、科学技术各个领域，除了生活日用、建筑材料、卫生洁具、化工设备、变电和输配电、切削刀具、钻井钻头、电子技术、自动控制、广播电视、有线无线通讯等广泛应用陶瓷材料之外，近几十年来迅速发展起来的空间技术、能源技术、计算技术、信息技术、生物医药技术、激光技术、电子新技术、遥感技术、仿生技术、红外技术等，也越来越多的应用于陶瓷新材料，时至今日，几乎每个现代科学技术的尖端领域都有现代陶瓷的足迹，现代陶瓷在国民经济和科学技术中一直扮演者不可缺少的角色，陶瓷的发展和应用具有无限光明的前景。
陶瓷是一种包容广泛的无机非金属材料，而材料是人们在生存发展过程中进行劳动创造所必须借助的媒体和工具。
现代陶瓷（先进陶瓷）是现代社会人们进行生产活动和科学实验所不可或缺的。
现代陶瓷的发展推动和加速了科学技术的发展，例如，如果没有现代陶瓷的磁性记忆存储元件，电子计算机就不可能达到每秒计算千亿次的速度，目前高科技中无数必须短时间内完成的复杂运算，也许就要拖延千百年，从而使这种计算变得毫无意义，科学研究和实验将无法进行；
没有现代陶瓷的参加，人类登月旅行、火星探测等就是一句空话等。
由此可见，现代陶瓷确实是现代人类文明和科学技术的基石、云梯、杠杆和催化剂。
1.2氧化锆
1.2.1氧化锆简介
纯净的氧化锆是白色固体，含有杂质时会显现灰色或淡黄色，添加显色剂还可显示各种其它颜色。
纯氧化锆的分子量为123.22，理论密度是5.89g/cm3，熔点为2715℃。
通常含有少量的氧化铪，难以分离，但是对氧化锆的性能没有明显的影响。
氧化锆有三种晶体形态：
单斜、四方、立方晶相。
常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。
由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。
但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。
1.2.2氧化锆的性能
氧化锆属于惰性生物医学陶瓷材料，其化学稳定性好，引发不良生物界面反应小。
部分稳定化的氧化锆是一种有应用前景的氧化物惰性生物陶瓷材料。
由于其引入了相变增韧机制，这类陶瓷具有比氧化铝更好的断裂韧性，被提倡作为氧化铝的替用材料。
氧化锆具有多晶型，随温度的变化范围存在如下多晶转变：
单斜ZrO
约1170℃四方ZrO
2370℃立方ZrO
四方ZrO
1000℃单斜ZrO
的相变属马氏体相变，相变过程伴随着有约14%的晶格切变和3%-5%的体积效应。
通过引入Y
O
、MgO、
CaO等四方相稳定剂。
四方相亚稳态在低于1000℃的温度范围内可以存在下来。
利用这一效应和稳定剂的控制相变作用，现已制备出多种具有增韧性质的ZrO
陶瓷材料。
1.2.3氧化锆的应用
氧化锆陶瓷具有较高的室温强度和断裂韧性（强度最高可达1.5Gpa，断裂韧性达15Mpa·
m
），其硬度、耐磨性和耐化学腐蚀性也非常高，常被应用于严酷环境和苛刻负载条件下，氧化锆陶瓷通过控制配料和烧结，获得均匀的微细粒烧结体，实现微细晶粒超塑性，被用来制作耐磨轴承，替代人骨，以及陶瓷发动机，陶瓷餐具，航空耐磨部件等由于氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆已经在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等等各种领域获得广泛的应用.
1.2.4生物医学材料的特点及要求：
生物医学材料是指一类具有特定功能和特殊性能要求的，用于人工器、外科修复、理疗健康、诊断、检查、治疗疾病等，且对人体组织、生理、生化不产生不良影响的材料。
生物医学材料可以分为：
①高分子材料②无机非金属材料③金属材料④复合材料⑤天然生物材料生物陶瓷作为无机非金属材料在生物医学领域占有重要地位并已广泛应用，其主要应用是人体硬组织的修复替换等内植入，如人工牙、人工骨、人工关节等。
无机非金属材料作为生物医学材料已有较长时间的历史，最早可以追溯到19世纪初制成的陶瓷牙齿,到20世纪60年代，无机生物医学材料的研究与应用已进入了一个发展较快的阶段，这主要是明确了它与其他材料相比有如下特点：
①构成材料的物质结合以离子键或共价键为主，因而具有优良的机械性能，如高耐压强度、高硬度、耐磨损等；
高的化学稳定性，在体内不易溶解、不易氧化、不易腐蚀、热稳定性好，便于灭菌消毒，与人体组织亲和性好，几乎看不到人体组织对它的排斥性。
②制备陶瓷的组成范围较宽，可以根据实际应用的要求设计组成调剂性能的变化。
③成型方法多，可根据需要制成各种形状和尺寸、致密或多孔结构等。
④易于着色，如陶瓷牙冠与天然牙齿外观逼真，利于整容、美容手术。
生物陶瓷是一类具有特殊生理行为要求的陶瓷材料，它应满足下述生物学要求或具备下述条件：
①生物相容性，即生物陶瓷必须对生物体无毒、无害、无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等作用，同时，它又不会被生化作用所破坏。
②力学相容性生物陶瓷不仅应具有足够的强度，不发生灾难性破裂，疲劳、蠕变及腐蚀破裂，而且其弹性变形应当和被替换的组织相匹配。
植入体的相容性取决于它所承受的应力的大小，组织间形成的界面性质以及材料本身的弹性模量。
③与生物组织有优异的亲和性生物陶瓷植入生物体后，能和生物组织很好的结合。
这种结合可以是组织长入不平整的植入体表面所形成的机械嵌联，也可以是植入体和生理环境间发生生化反应而形成的化学键结合。
④抗血栓生物陶瓷作为植入材料和人体血液相接触，要求植入物不会对血液细胞造成破坏，不会形成血栓。
⑤物理化学稳定性在体内长期稳定，不分解，不变质，不变性。
⑥灭菌性，即植入材料必须能以无菌状态生存下来，不会因环境条件如干热，湿热，气体，辐射等的作用而改变其功能，使接触的宿主组织受到感染。
1.2.5氧化锆陶瓷作为医学材料
氧化锆陶瓷材料作为牙科修复材料的优点
a良好的生物相容性
ZrO
陶瓷是生物惰性材料，不具有生物活性，不会与组织和口腔分泌物反应，具有很好的生物相容性，在口腔内能稳定存在，不释放有害杂质，并且不降解。
同时，牙科用ZrO
陶瓷表面光滑，便于清洁，不利于菌斑附着。
Covacci等证明了高纯度的ZrO
陶瓷不引起细胞转化。
C．Pieoni等亦认为ZrO
材料无诱变和致癌效应。
同时，牙用ZrO
陶瓷表面光滑，便于清洁，不利斑菌附着。
b优异的机械性能
一般的牙科陶瓷材料都为脆性材料，分散局部应力的能力弱，临界应变低，折断前承受的应变约为0．1％，不能用于后牙冠的修复。
高性能的Zr02陶瓷以其卓越的机械性能在齿科修复方面有着无可比拟的优势，尤其是氧化镁（MgO）部分稳定ZrO
陶瓷（Mg-PSZ），因为能发生相变增韧而使材料有极好的韧性，三点弯曲强度和断裂韧性可分别达1000MPa和15MPa·
。
Mclaren和Kin等分别研制了用于后牙冠和三单位固定牙桥ZrO
增韧氧化铝（Al
）陶瓷的复相材料（ZTA），该材料强度可以达到600～800MPa，断裂韧性8.IMPa·
，而In-ceram系列的高性能Al
陶瓷常温下强度仅为412．5MPa，断裂韧性为4MPa·
Drouin等认为ZrO
作为生物材料的优异性能不仅与相交增韧有关，而且还与疲劳过程中存在的应力域值有关。
他们在ZrO
陶瓷模拟生理负载条件下的慢裂纹增长实验中发现，若疲劳应力低于某一应力域值，裂纹不会发生扩张，从而进一步延长了ZrO
陶瓷修复
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