生物陶瓷应具备的性能

1生物陶瓷应具备的性能: 与生物组织有良好的相容性,有适当的生物力学和生物学性能,具有良好的加工性和临床操作性 ,具有耐消毒灭菌性能 2生物陶瓷的优点 (1)由于生物陶瓷是在高温下烧结制成，具有良好的机械强度、硬度；在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒、耐磨，有一定润滑性能，不易产生疲劳现象。 (2)陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能的变化。 (3)陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸，如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、领骨、颅骨等。 (4)后加工方便，现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车、铣、刨、钻等可切削性生物陶瓷。利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。 (5)易于着色，如陶瓷牙可与天然牙媲美，利于整容、美容。 3生物陶瓷的种类:生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷、可控表面活性陶瓷。生物惰性陶瓷:包括多晶氧化铝陶瓷、单晶氧化铝陶瓷、高密度羟基磷灰石陶瓷、碳素陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等。生物活性陶瓷;包括生物玻璃、低密度羟基磷灰石类陶瓷(锆-羟基磷灰石陶瓷、氟-羟基磷灰石陶瓷、钙-羟基磷灰石陶瓷)、磷酸钙玻璃陶瓷可控表面活性陶瓷:是将生物陶瓷作表面涂层后得到具有抗疲劳强度并能与生物组织结合的一种活性陶瓷。3目前所应用的无机抗菌材料主要有：1）载银、铜、锌等抗菌离子的离子型抗菌材料。2）利用二氧化钛光催化活性的无机抗菌材料。4银离子的抗菌机理:接触反应说和催化反应说1）接触反应说：微量的银离子进入菌体内部，破坏了微生物细胞的呼吸系统及传输系统，引起酶的破坏，从而达到抗菌作用。（2）催化反应说：在光的作用下，由于银离子的催化作用，将氧气或水中的溶解氧变成了活性氧，这种活性氧具有抗菌作用。 5光催化抗菌材料的抗菌机理 当含有紫外线的光照射到抗菌剂时，产生电子（e-）和空穴（h+），产生的电子和空气中的组分反应，生成过氧化氢（还原反应）：e- + O2+ H2H2O2空穴和抗菌剂表面的微量水分反应生成氢氧根（氧化反应）：h+ + H2OOH- + H+ 过氧化氢和氢氧团具有杀菌作用，可将有机物分解成二氧化碳和水，因此可将细菌慢慢分解，并具有防污、除臭功能。 6无机抗菌材料的应用: 纤维制品,家庭用品,家用电器,家居环境7银系抗菌材料的抗菌性能评价:抗菌能力：主要通过最低抗菌质量浓度（MIC）、最小杀菌质量浓度（MBC）和杀菌率三个指标来评价。MIC是令细菌终止发育或分裂的最低抗菌剂质量浓度，此质量浓度越低，即认为抗菌能力越强。MBC指致使细菌死亡的抗菌剂的最小质量浓度，此质量浓度越小，说明杀菌效果越好。安全性：应对皮肤无刺激性,我国饮用水标准规定银离子质量浓度不超过0.05mg/L。,细菌的耐药性：要求能够反复多次地杀灭同种细菌，即该细菌不产生抗药性耐光性：银离子在光照条件下，容易被还原成银，进而被氧化成氧化银而减弱抗菌效果耐热性：抗菌剂往往被作为功能性填料添加，制备出相关产品，故要求其符合制品的加工要求缓释性能：即抗菌离子能够在较长的时间内均匀释放，从而保持长久的抗菌能力。抗磁性:磁化率是物质的一种性质，它与外磁场H无关。对一些材料来说，磁化的方向与外磁场的方向相反，即0，材料内部总的感通密度大于外磁场的磁通密度，材料的这种性质被称为顺磁性，具有这种性质的材料称为顺磁材料。 铁磁性:邻近原子由于互相作用，在加上外磁场H时，能使磁矩趋向于外磁场方向而整齐排列。这种现象称为铁磁性，具有这种性能的材料称为铁磁体。 反铁磁性:把磁矩反向平行且大小相等的情况称之为反铁磁性，具有这种性质的物质称为反铁磁物质。当提高温度时，这种反铁磁体的磁矩的排列混乱，成为顺磁体。把此转化温度称为尼尔温度 亚铁磁性:在反铁磁体的磁矩排列中，若磁矩的大小不相同，没有完全相互抵消时，相减时磁矩不为零，会产生自发磁化，这种物质称为亚铁磁体。磁致伸缩: 铁磁性和亚铁磁性材料磁化时，在磁化反向所发生的伸长或缩短现象称为磁致伸缩。磁性陶瓷(magnetic ceramics)分为含铁(ferrite)的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。电介质陶瓷是指电阻率大于108m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷（insulation ceramics）和电容器陶瓷（capacitor ceramics；condenser ceramics）电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，其一般特性是电绝缘性、极化（polarization）和介电损耗（dielectric loss）。 电介质性能与分类根据体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数的不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶瓷和电容器陶瓷。此外，某些具有特殊性质，如压电性、铁电性及热释电性的电介质陶瓷，按性质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷用于制造电容器的陶瓷材料的性能要求：（1） 介电常数要尽可能高。介电常数越高，陶瓷电容器的体积可以做得越小。 （2）在高频、高温、高压及其它恶劣环境下稳定可靠。 (3) 介质损耗角正切值小。对于高功率陶瓷电容器，能提高无功功率。（4）比体积电阻高于1010m ，可保证在高温下工作。 （5）高的介电强度。敏感陶瓷的分类:热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。这类材料大多是半导体陶瓷，如ZnO、SiC、SnO2、TiO2、Fe2O3、BaTiO3和SrTiO3等。热敏陶瓷(heat sensitive ceramics)是一类电阻率随温度发生明显变化的材料 ，用于制作温度传感器、线路温度补偿及稳频等的元件热敏电阻。根据热敏陶瓷的阻温特性，可把热敏陶瓷分为负温度系数NTC（negative temperature coefficient）；正温度系数PTC（positive temperature coefficient）热敏陶瓷；临界温度热敏电阻C.T.R(critical temperature resistor)及线性阻温特性热敏陶瓷四大类。气敏陶瓷（gas Sensitive Ceramics）可分为半导体式和固体电解质（solid electrolyte）式两大类。其中半导体气敏陶瓷又分为表面效应和体效应两种类型。按照使用材料的成分分，有SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2等系列。 超导体，是指当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。判断材料是否具有超导性，有两个基本的特征：超导电性，指材料在低温下失去电阻的性质；完全抗磁性，指超导体处于外界磁场中，磁力无法穿透，超导体内的磁通为零。超导材料有两个非常重要的性质： 1）超导体的完全导电性。即在超导态下（在临界温度以下）电阻为零，电流通过超导体时没有能量的损耗。 2）超导体的完全抗磁性。超导体的完全抗磁性是指超导体处于外界磁场中，能排斥外界磁场的影响，即外加磁场全被排除在超导体之外，这种特性也称为迈斯纳效应。测量临界温度有不同的方法:1） 电阻测量法。2）磁测量法。超导陶瓷的应用（1）输配电。根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。（2）超导线圈。能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。（3）超导发电机。由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。超导陶瓷的应用在电力系统方面（1）输配电。根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。（2）超导线圈。能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。（3）超导发电机。由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。在交通运输方面（1） 制造超导磁悬浮列车（2）超导电磁性推进器和空间推进系统。在选矿和探矿等方面 在矿冶方面:由于一切物质都具有抗磁性或顺磁性，可以利用超导体来进行选矿和探矿等 在环保和医药方面1）在环保方面可以利用超导体对造纸厂、石油化工厂等的废水进行净化处理。（2）在医药卫生方面，生物体大都具有抗磁性，可以利用超导体作废水处理，以去除细菌、病毒、重金属等毒物。医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出。在高能核实验和热核聚变方面利用超导体的强磁场，使粒子加速以获得高能粒子在电子工程方面利用超导体的性质提高电子计算机的运算速度和缩小体积。溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1100nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在13之间。溶胶无固定形状固相粒子自由运动凝胶固定形状固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动溶胶凝胶法：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。溶胶-凝胶(简称Sol-Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。Sol-Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶。溶胶凝胶合成生产设备 ;电力搅拌溶胶;磁力搅拌器溶胶溶胶-凝胶制备陶瓷粉体材料；反应过程易控制，可以调控凝胶的微观结构。大大增加多元组分体系化学均匀性材料可掺杂范围宽，化学计量准，易于改性。产物纯度高等具有制备工艺简单、无需昂贵的设备水热法(Hydrothermal Synthesis)，是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。 溶剂热法（Solvothermal Synthesis），将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料，水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：均匀溶液饱和析出”机制溶解-结晶”机制原位结晶”机制水热与溶剂热合成的生产设备：高压釜水热与溶剂热合成存在的问题无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。设备要求高耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬、技术难度大温压控制严格、成本高。安全性差，加热时密闭反应釜中流体体积膨胀，能够产生极大的压强，存在极大的安全隐患。化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒；在气体中生成粒子CVD装置；气相反应室；加热系统；气体控制系统；排气系统化学气相沉积工艺参数；反应混合物；沉积温度 ；衬底材料 ；系统内总压和气体总流速；反应系统装置的因素；原材料的纯度自蔓延高温合成是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导做用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。SHS技术优点；1)节省时间，能源利用充分； (2)设备、工艺简单； (3)产品纯度高（因为SHS能产生高温，某些不纯物质蒸发掉了），反应转化率接近100%； (4)不仅能生产粉末，如果同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品； (5)产量高（因为反应速度快）； 等离子体烧结优点烧结速度快； 改进陶瓷显微结构和提高材料的性能 等离子体：等离子体是除固液气的第四种状态，是指电离程度高，电荷相反数量相等的分子SPS已广泛应用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、电磁材料、复合材料、陶瓷材料等的制备。粉体（powder），就是大量固体粒子的集合系。它不同于气、液、固体，是气、液、固三相之外的所谓第四相。粉体颗粒指在物质的结构不发生改变的情况下，分散或细化得到的固态基本颗粒。一次颗粒指没有堆积、絮联等结构的最小单元的颗粒。二次颗粒指存在有在一定程度上团聚了的颗粒。团聚一次颗粒之间由于各种力的作用而聚集在一起成为二次颗粒的现象。粒度分布分为频率分布和累积分布，常见的表达形式有粒度分布曲线、平均粒径、标准偏差、分布宽度等。频率分布表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量。累积分布表示小于（或大于）某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量，累积分布是频率分布的积分形式。空隙量的表示方法有：1）表观密度（apparent density）,即单位体积粉体层的质量。2）气孔率（porosity）,即粉体层中空隙部分所占的容积率。粉体粒度测定方法；1、X射线小角度散射法2、X射线衍射线线宽法3、沉降法4、激光散射法5、比表面积法6、显微镜分析法粉体的制备方法一般来说有两种；1）粉碎法是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用机械粉碎。现在发展到采用气流粉碎。；2）合成法；是由离子、原子、分子通过反应、成核与生长、收集、后处理来获得微细颗粒的方法煅烧的主要目的：去除原料中易挥发的杂质、化学结合和物理吸附的水分、气体、有机物等，从而提高原料的纯度。使原料颗粒致密化及结晶长大，可以减少在以后烧结中的收缩，提高产品的合格率。完成同质异晶的晶型转变，形成稳定的结晶相，如-Al2O3煅烧成-Al2O3配料是否均匀混合；1）加料的次序 2）加料的方法：3）球磨筒的使用粘结剂：能粘结粉料，如聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、羧甲基纤维素等造粒的方法；A.一般造粒法B.加压造粒法 C喷雾干燥法D.冻结干燥法：热压铸成型纸杯中水为什么不能过多？这是因为粉料内含水量大于1%时，水分会阻碍粉料与石蜡完全浸润，粘度增大，难以成型。另外在加热时，水分会形成小气泡分散在浆料之中，使烧结后的制品形成封闭气孔，性能变坏。排蜡目地；因为如果烧成前不先经过排蜡处理，则烧成时石蜡在高温下熔化流失、挥发、燃烧，坯体将失去粘结而解体，不能保持其形状。排蜡的过程：排蜡是将坯体埋入保护粉料（如煅烧过的工业Al2O3，此保护粉料又称吸附剂）中，在升温过程中，石蜡会熔化、扩散，但有吸附剂支持着坯体。当温度继续升高，石蜡挥发、燃烧完全，而坯体中粉料之间也有一定的烧结出现。此时，坯体与吸附剂之间既不发生反应，又不发生粘结，而且坯体具有一定的强度。排蜡温度通常为9001100 。若温度太低，粉料之间无一定的烧结出现，不具有一定的机械强度，坯体松散，无法进行后续的工序；若温度偏高，直至完全烧结，则会出现严重的粘结，难以清理坯体的表面。排蜡后的坯体要清理表面的吸附剂，然后再进行烧结。加热搅拌熔融目的：1、使白蜡与黄蜡混合均匀2、把水分除去3、熔融状态时过筛除去不熔杂质如果干压成型中加压速度过快，保压时间过短，气体不易排出。同样当压力还未传递到应有的深度时，外力就已卸掉，显然难以得到较为理想的坯体质量。如果加压速度过慢，保压时间过长，使得生产效率降低，也是没有必要的。因此，根据坯体的大小、厚薄和形状来调整加压速度和保压时间。一般对于大型、壁厚、高度大、形状较为复杂的产品，开始加压宜慢，中间可快，后期宜慢，并有一定的保压时间。对于小型薄片坯体，加压速度可以适当快些，以提高其生产效率。干压成型的优缺点： 优点：1）具有工艺简单，操作方便，周期短，效率高，便于实行自动化生产；2）其成型的坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高等。 缺点：1）对大型坯体生产有困难，模具磨损大、加工复杂、成本高；2）加压只能上下加压，压力分布不均，致密度不均，收缩不均，会产生开裂、分层等现象。烧结：指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。陶瓷的烧结，可以分为固相烧结和液相烧结低温烧结;1、引入添加剂 2、压力烧结（3、使用易于烧结的粉料热压烧结使用最广泛的模型材料是石墨热等静压烧结特点（1） 陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成，可以有效地抑制材料在高温下发生很多不利的反应或变化2） 能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体；（3）可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔，愈合表面裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度；（4）能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必使用费用高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变。微波烧结优点 整体加热能实现空间选择性烧结。 升温速度快，烧结时间短，且降低烧结温度。 易控制性和无污染工业氧化铝的制备：湿碱法(拜尔法)和干碱法(烧结法)Al2O3预烧的目的1使-Al2O3 全部转变为-Al2O3，减少烧成收缩。2）排除Al2O3原料中的Na2O ，提高原料的纯度。影响预烧质量的因素：添加物，预烧温度，气氛对Al2O3的预烧质量影响也很大。Al2O3预烧质量的检查；(1)染色法。(2)光学显微镜法。(3)密度法 ZrO2的结晶形态： 单斜晶系，四方晶系，立方晶系 ZrO2相变增韧机理当材料受到外应力时，基体对ZrO2 的压抑作用得到松弛，ZrO2 颗粒即发生四方相到单斜相的转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果，这就是ZrO2 的相变增韧。 微裂纹增韧：瓷在由四方相向单斜相转变，相变出现了体积膨胀而导致产生微裂纹。这样由ZrO2 陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，以及裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用。从而提高了断裂能 典型碳化物陶瓷材料有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钒(VC)、碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)和碳化钼(Mo2C)等。 SiC有多种晶型，低温型为立方相b-SiC，高温型a-SiC转变。浸渍法最大特点是能在较低温度下获得高纯、高强材料。而且能够制造各种形状复杂的坯体用聚碳硅烷作为结合剂，加到SiC粉料中烧结成多孔SiC制品，然后再置于聚碳硅烷中浸渍，在1000再烧结，使密度增大，如此反复进行多次，体积密度能达到理论密度的80%95%。 B4C陶瓷：具有高熔点、高硬度、高模量、容重小(2.52gcm-3)、耐磨、耐酸碱腐蚀等特点，氮化物陶瓷主要有氮化硅(Si3N4)、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、氮化钛（TiN）和赛隆陶瓷等。a -Si3N4：低温型，是针状结晶体。 -Si3N4：高温型，是颗粒状结晶体。Si3N4陶瓷材料具有耐高温耐磨性能，热化学稳定性好，具有耐磨性好、强度高、摩擦系数小的特点，高温电阻率比较高BN有两种晶型：立方BN和六方BN，立方氮化硼(CBN)硬度仅次于金刚石氮化铝陶瓷：导热率高，