[发明专利]玻璃渗透氧化锆陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种玻璃渗透氧化锆陶瓷的制备方法，及由其制备的玻璃渗透氧化锆陶瓷，进一步涉及由该玻璃渗透氧化锆陶瓷制备的骨植入假体。

技术领域

本发明涉及玻璃渗透氧化锆陶瓷的制备方法，进一步涉及由该方法制备的玻璃渗透氧化锆陶瓷。

背景技术

采用人工假体来替换受损的关节(包括髋关节、膝关节、肘关节、腕关节或踝关节等)已经成为临床上治疗关节疾病的首要选择。目前，临床上用来替换受损髋关节或膝关节的人工假体有金属对聚乙烯型、金属对金属型、陶瓷对聚乙烯型和陶瓷对陶瓷型。其中，陶瓷对聚乙烯型和陶瓷对陶瓷型由于显著降低的磨损量而得到越来越普遍的应用。采用的陶瓷材料主要是氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、和氧化铝-氧化锆陶瓷。

氧化锆陶瓷有三种晶相：单斜相、四方相和立方相。当四方相转变为单斜相时，不仅伴随着能量的消耗，而且伴随着3-5％的体积膨胀。体积膨胀会导致压应力的产生。这种能量消耗和形成压应力的协同作用，有效地阻碍了裂纹的扩展，从而显著提高了氧化锆陶瓷的断裂韧性，使得四方相氧化锆陶瓷获得了“陶瓷钢”的美誉。

纯的氧化锆在1170℃以下时以单斜相存在，在1170～2370℃时以四方相形式存在，高于2370℃时以立方相形式存在。所以，人们为了在室温获得四方相氧化锆陶瓷，往往在氧化锆陶瓷中添加稳定剂，使得四方相能够保持到室温。常见的稳定剂有Y₂O₃、CeO₂、MgO等。其中，Y₂O₃稳定的四方相氧化锆陶瓷(以下简称为“Y-TZ”)，由于具有极高的断裂强度和断裂韧性，而得到了最广泛的应用。

随着科技的发展，人们进一步发现，现有的Y-TZ四方相氧化锆陶瓷在100～400℃的水热环境下，会自发地转变成单斜相。这种自发相变不仅会导致氧化锆陶瓷中出现亚微米裂纹，而且由于相变伴随的3-5％的体积变化，会导致氧化锆陶瓷的表面粗糙度发生改变。这一现象限制了3Y-TZ四方相氧化锆陶瓷的进一步应用。

为了解决这一问题，以德国CeramTec公司为代表的研究人员研制了氧化铝-氧化锆陶瓷，其中氧化锆作为次要成分，含量大约15wt％，既利用其相变增韧的优点，又利用主要成分——氧化铝基质的钉扎作用(力学方式)，防止氧化锆在水热环境中的自发相变。这种思路取得了一定的效果，但是临床经验表明，氧化锆的自发相变仍然存在。

本发明则另辟蹊径，通过在高温下向烧结致密的氧化锆陶瓷表面渗入玻璃至数微米的深度，将该深度内的氧化锆陶瓷中已有的裂纹、气孔和晶界封合，从而切断水进入氧化锆陶瓷内部的途径，阻止氧化锆陶瓷在水热环境下的自发相变，获得了在水热环境中具有优异耐久性的玻璃渗透氧化锆陶瓷。

发明内容

本发明涉及玻璃渗透氧化锆陶瓷的制备方法，包括：1)将氧化锆粉体在30～100MPa的压力下干压成型制成坯体，或者干压后在150～250MPa压力下冷等静压成型，制成坯体；2)将坯体放入空气气氛或真空气氛的烧结炉中，在1350～1500℃烧结1-5小时，得到致密的氧化锆陶瓷；3)将镧-铝-硅-硼玻璃粉用水调成粉浆，均匀地涂覆在氧化锆陶瓷表面；4)将涂覆有玻璃粉浆的氧化锆陶瓷放入烧结炉中，于1100～1170℃保温1～4小时，得到玻璃渗透氧化锆陶瓷。

本发明进一步涉及玻璃渗透氧化锆陶瓷，包含在表面≤10微米深度，优选≤5微米深度，的玻璃渗透层。

根据本发明的实施方案，本发明的玻璃渗透氧化锆陶瓷中，氧化锆是含有2.0～4.0mol％，优选3.0mol％氧化钇(Y₂O₃)的四方相氧化锆，氧化锆的晶粒度≤0.5微米，优选≤0.4微米。

根据本发明的实施方案，本发明的玻璃渗透氧化锆陶瓷中，玻璃是熔点≤1200℃，优选≤1170℃的镧-铝-硅-硼玻璃。