[发明专利]在陶瓷材料上制造功能陶瓷膜的方法

说明书

相关申请

本申请要求2009年4月13日提交的美国临时专利申请序号No.61/212,516的权益。

技术领域

概括而言，本发明涉及陶瓷材料，更特别涉及在陶瓷材料上制造功能陶瓷膜以提高机械性质、化学稳定性和/或生物学性质的方法。

背景技术

二氧化锆(氧化锆)是用于工程用途和医疗器材的工业陶瓷材料之一。纯ZrO₂在室温下具有单斜晶结构并在上升的温度下转变成四方和立方晶。由立方到四方到单斜的转变造成的体积膨胀诱发了非常大的应力，并在从高温冷却时造成纯ZrO₂裂化。将数种不同的氧化物添加到氧化锆中以使四方和/或立方相稳定：氧化镁(MgO)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化钙(CaO)和氧化铈(III)(Ce₂O₃)、二氧化铈、氧化镝、氧化钆和氧化镧等(Seiji Ban，″Reliability and properties of core materials fpr all-ceramic dental restorations″Japanese Dental Science Review(2008)44，3-21)。

氧化锆以其“稳定化”状态广泛使用。在一些情况下，可以通过添加第二相材料来使四方相亚稳。如果存在足量的亚稳四方相，被裂纹尖端处的应力集中放大的外加应力可以使四方相转化成单斜相，并伴以体积膨胀。这种相变可然后使裂纹压缩、阻滞其生长并增强断裂韧度。这种机制被称作相变增韧，并显著扩展用稳定氧化锆制成的产品的可靠性和寿命。氧化锆的一种特殊情况是四方氧化锆多晶或TZP，其表示仅由亚稳四方相构成的多晶氧化锆。

氧化锆常用于医疗器材用途，例如整形外科和牙科。当今在全世界范围内，主要在美国和在欧洲，已移植多于600,000个氧化锆股骨头。但是，主要由于稳定氧化锆的低温降解问题，在2001年大致400个生物医学级氧化锆股骨头在很短的时间内失效。当用氧化钇稳定时，氧化锆陶瓷可保持它们的在室温下亚稳的高温四方结构。通过在水或水蒸气存在下缓慢表面转变成稳定单斜相，发生老化。转变最先在表面上的分立晶粒中通过应力腐蚀型机制开始。对股骨头而言，表面是指抛光的磨损面，以及与金属细锥接触的锥形体内部。该转变的成核随之造成邻接发生的一连串事件：一个晶粒的转变造成体积增大，以致对相邻晶粒施加应力并造成微裂化。这为水向下渗入样品提供路径。生长阶段又取决于若干微结构模式：孔隙率、残留应力、晶粒度等。在此阶段相当清楚的是，成核和生长都有高度的工艺相关性。(Chevalier，″What future fpr zirconia as a biomaterial？″Biomaterials 27(2006)535-543)

术语

为易于理解，本文所用的特定术语包括下述术语：

功能陶瓷膜，是指包含至少大约10％纯氧化锆的薄膜，该纯氧化锆具有从高温下的四方/立方相到室温下的单斜相的相变，造成体积膨胀和压缩应力。

纯氧化锆，是指至少大约90重量％的在低温下的单斜氧化锆和/或来稳定的氧化锆，该未稳定的氧化锆表现出高温下的四方/从立方相到室温下的单斜相的相变以致体积膨胀。

未稳定的氧化锆，是指从高温下的四方/立方相到室温下的单斜相的相变，以致体积膨胀。

单斜氧化锆，是指具有单斜晶结构的氧化锆。

压缩应力，是指由从烧结温度冷却的过程中的陶瓷膜体积膨胀造成的应力。

陶瓷材料，是指无机、非金属固体化合物，包括金属氧化物、金属盐、复合材料、玻璃和/或晶体结构材料、复合材料、聚合物/陶瓷复合材料和它们的混合物。

预烧制，是指在大约200℃-1400℃的温度烧制陶瓷材料，以便为操作、机械加工、运输和其它目的增加一定程度的机械强度。预烧制温度低于烧结温度。

烧结，是指由粉末通过在低于其熔点的温度加热该材料(固态烧结)直至其粒子相互粘着以便致密化来制造陶瓷物体的方法。这种温度被称作烧结温度。烧结传统上用于制造陶瓷物体。