專利名稱：一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法
技術領域：
本發明涉及一種納米生物陶瓷成形人工關節的工藝方法。
背景技術：
生物陶瓷材料要求具有較高的生物彈性、生物相容性及穩定的化學特性。利用這些特性可制成各種組織和器官，用于人體的修復或替換。但陶瓷的加工極其困難，尤其是復雜形狀陶瓷的加工難度極大。加工的困難已經阻礙了它在實際中的應用。
采用熱壓燒結方法制備陶瓷材料，通常對獲得規則形狀的陶瓷塊體或構件是可行的。然而對于復雜形狀的陶瓷結構件，由于燒結時受粉體流動性的特點，燒結時粉體難以到達復雜型腔的內部并達到致密度，通過技術方法解決了這一難點，也會在復雜部位由于內應力大及陶瓷的脆性而出現斷裂。目前對復雜形狀陶瓷件的加工通常采用機械磨削的方法，顯然這種方法具有很大的局限性。不同角度和弧度都需要單獨制作一個砂輪，經分段磨削而成。即便如此，很多構件因形狀復雜而無法加工，限制了其應用。
采用高溫閉式模鍛方法對陶瓷進行成形，屬一種陶瓷精密成形的方法，拓展了陶瓷成形領域。通過高溫下的閉式模鍛等成形方法可成形不同形狀、尺寸的結構件。成形人工關節等復雜形狀精密納米陶瓷件，表面無裂紋，內部流線連續。該工藝具有近凈成型的優點，通過合理控制應變速率可實現陶瓷無余量或較小余量加工，實現陶瓷材料的高精度精密成形。該成形工藝將為難成形材料的加工提供一種新的思路和方法。
發明內容
為了解決復雜形狀陶瓷件的制備及加工困難問題，本發明提供一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法。
本發明按照如下步驟成形納米生物陶瓷人工關節a、納米陶瓷粉體的制備按照化學沉淀法分別制備Al2O3、ZrO2及羥基磷灰石(HAP)納米粉；b、采用熱壓燒結方法制備納米生物陶瓷的塊體將上述納米陶瓷粉裝入模具內，采用熱壓燒結方法對其進行制備，控制熱壓燒結參數為Al2O3/ZrO2的燒結溫度為1450～1500℃，ZrO2/HAP的燒結溫度為1250～1300℃；燒結壓力為15～30MPa；保壓時間為30～60分鐘；c、采用閉模鍛造方法制備人工關節將燒結后的坯料，裝入模具中進行高溫閉式模鍛。
本發明基于閉式模鍛的機理，結合納米陶瓷的高溫超塑特性，提出成形人工關節的工藝方法。將制備好的陶瓷塊體放入成形模具中，在成形溫度為1300～1600℃、應變速率為1.33×10-4-1.33×10-3s-1條件下，進行納米陶瓷閉式模鍛，完成陶瓷塊體的精密成形。
與其他陶瓷加工手段相比，該工藝成形的陶瓷構件具有近凈成型的優點，加工余量小，構件的材料組織表面無裂紋，內部流線連續。該構件的成功成形，可解決其成形困難問題，加速其實用化進程，使之作為一種新型的高溫陶瓷材料的成形工藝，在工業產品上得以應用。
按照上述工藝過程要求制備的陶瓷材料的晶粒尺寸為50-500nm。材料具有良好的高溫塑性。本發明成形工藝簡單，模具加工易于實現且低成本，材料制備和成形在同一設備上即可實現，加工余量少，成形周期縮短1/3-1/2，節約加工費用30％以上。
根據陶瓷的組成、加工工藝、微觀結構以及晶粒尺寸等因素，納米陶瓷的高溫延伸率高于50％，晶粒尺寸為50-500nm，在成形溫度1300～1600℃、應變速率為1.33×10-4-1.33×10-3s-1條件下，納米陶瓷材料可以成形人工關節等復雜結構件。
與陶瓷磨削工藝相比，納米生物陶瓷的成形積極材料特性分別如表1、表2所示。
表1納米生物陶瓷成形特性
表2納米生物陶瓷的材料特性
本發明對納米陶瓷進行二次加工，成形復雜結構件，解決了陶瓷復雜形狀加工困難的問題，同時具有近凈成型的優點。本材料成形工藝簡單，模具易于加工且成本較低，成形后的陶瓷件具有無余量或很小余量加工，大大節約加工成本，縮短加工周期。
圖1為納米生物陶瓷燒結及成形的溫度及壓力工藝過程示意圖；圖2為納米生物陶瓷的熱壓燒結模具的示意圖，其中1-壓頭，2-模套，3-墊片，4-粉體，5-模具；圖3為納米生物陶瓷成形模具的示意圖，其中6-導向筒，7-坯料，8-組合凹模。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式按照如下步驟完成納米生物陶瓷材料的制備及成形工藝1、采用醇-水溶液加熱法制備Al2O3、ZrO2納米粉。在醇-水溶液加熱時，溶液中產生凝膠狀沉淀，發生如下水解反應(1)，(2)。
將Al(NO3)3·9H2O、ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3·6H2O按摩爾比配成一定摩爾濃度的混合液，醇水比5∶1加入無水乙醇，并加入一定量的聚乙二醇200和聚乙二醇1540作為分散劑。將此溶液置于恒溫水浴鍋中緩慢加熱至75℃，保溫6小時，制得白色溶膠。采用NH4HCO3作為沉淀劑，在電磁攪拌器上完成室溫沉淀過程。在輕微攪拌的同時將鹽溶液以3ml/min的速度滴入NH4HCO3溶液的燒瓶中以獲得前驅物沉淀。將合成的懸浮液陳化12小時后過濾，然后用蒸餾水洗滌凝膠至3mol/l AgNO3溶液檢測不出Cl-，再用無水乙醇洗3遍。將膠體放入坩堝內，在150℃干燥，經研磨和煅燒后得到Al2O3/ZrO2納米粉體，粉體粒徑為50～150nm。
2、采用熱壓燒結方法對Al2O3/ZrO2粉進行熱壓燒結。
將Al2O3/ZrO2粉裝入圖2石墨模具中進行熱壓燒結，圖1為納米生物陶瓷的熱壓燒結工藝及閉式模鍛工藝示意圖。熱壓燒結參數為燒結溫度為1450～1500℃，燒結壓力為15～30MPa；保壓時間為30～60分鐘。整個工藝過程始終在真空或惰性氣體保護中進行。
3、采用閉式模鍛成形人工關節將制備好的納米陶瓷塊體裝入圖3模具中進行人工關節的成形。成形溫度為1300～1600℃，成形速率為1.33×10-4-1.33×10-3s-1，直至陶瓷材料充滿型腔完成成形工藝。所述制備的陶瓷塊體具有超細晶(50～600nm)組織。
本實施方式中，所述納米粉Al2O3和ZrO2的純度≥98％。
本實施方式中，所述納米粉體Al2O3和ZrO2的粒度大小為50～150nm。
本實施方式中，所述Al2O3/ZrO2復合粉按照摩爾百分比的配比由Al2O375-85％、ZrO215-25％組成。
具體實施方式
二本實施方式按照如下步驟完成納米生物陶瓷材料的制備及成形工藝1、采用化學沉淀法制備羥基磷灰石HAP粉體。
羥基磷灰石的化學反應方程式如下(3)，(4)，(5)。
總方程式為(6)。
按照羥基磷灰石中鈣磷比為n(Ca)/n(P)＝1.67配制一定濃度的(NH4)2HPO4溶液和Ca(NO3)2溶液。其中Ca(NO3)2·4H2O用無水乙醇配制，(NH4)2HPO4用去離子水配制。根據公式(6)，將兩種溶液進行化學反應。先在燒杯中放入Ca(NO3)2溶液，然后加入少量(NH4)2HPO4溶液，使反應混合液中產生HAP晶核，然后按照10ml/min的速度滴加(NH4)2HPO4溶液，隨著反應的進行，隨時滴加氨水，維持反應液的PH值在10.5-11.0之間。待反應完畢后，強力攪拌反應2小時，然后陳化24小時，傾去上層清液，用去離子水洗滌并過濾兩次，再用無水乙醇洗滌并過濾兩次，直至沉淀物為中性。將所得糊狀沉淀物在干燥箱中90℃干燥24小時，得到HAP納米粉體，粉體粒徑為80～150nm。
2、采用熱壓燒結方法對Al2O3/ZrO2、ZrO2/HAP粉進行熱壓燒結。
將ZrO2/HAP粉裝入圖2石墨模具中進行熱壓燒結。熱壓燒結參數為燒結溫度為1250～1300℃；燒結壓力為15～30MPa；保壓時間為30～60分鐘。整個工藝過程始終在真空或惰性氣體保護中進行。
3、采用閉式模鍛成形人工關節將制備好的納米陶瓷塊體，裝入圖3模具中進行人工關節的成形。成形溫度為1300～1600℃，成形速率為1.33×10-4-1.33×10-3s-1，直至陶瓷材料充滿型腔完成成形工藝。所述制備的陶瓷塊體具有超細晶(50～600nm)組織。
本實施方式中，所述納米粉ZrO2及羥基磷灰石的純度≥98％。
本實施方式中，所述納米粉體ZrO2及羥基磷灰石的粒度大小為50～150nm。
本實施方式中，所述ZrO2/羥基磷灰石復合粉按照質量百分比的配比由ZrO285-95％、羥基磷灰石5-15％組成。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一、二不同的是，根據材料的不同配比，納米生物陶瓷的成分配比見表3。
表3納米生物陶瓷成形人工關節的成分配比(％)
注Al2O3∶ZrO2為摩爾分數比；ZrO2∶HAP為質量分數比。
權利要求
1.一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述方法為a、采用熱壓燒結方法制備納米生物陶瓷的塊體將Al2O3和ZrO2納米陶瓷粉裝入模具內，采用熱壓燒結方法對其進行制備，控制熱壓燒結參數為燒結溫度為1450～1500℃，燒結壓力為15～30MPa；保壓時間為30～60分鐘；c、采用閉模鍛造方法制備人工關節將燒結后的坯料，裝入模具中進行高溫閉式模鍛，控制成形溫度為1450～1600℃，應變速率為1.33×104～1.33×10-3s-1。
2.根據權利要求1所述的一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述納米粉Al2O3和ZrO2的純度≥98％。
3.根據權利要求1所述的一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述納米粉體Al2O3和ZrO2的粒度大小為50～150nm。
4.根據權利要求1所述的一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述Al2O3/ZrO2復合粉按照摩爾百分比的配比由Al2O375-85％、ZrO215-25％組成。
5.一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述方法為a、采用熱壓燒結方法制備納米生物陶瓷的塊體將ZrO2和羥基磷灰石納米陶瓷粉裝入模具內，采用熱壓燒結方法對其進行制備，控制熱壓燒結參數為燒結溫度為1250～1300℃；燒結壓力為15～30MPa；保壓時間為30～60分鐘；c、采用閉模鍛造方法制備人工關節將燒結后的坯料，裝入模具中進行高溫閉式模鍛，控制成形溫度為1250～1400℃，應變速率為1.33×10-4～1.33×10-3s-1。
6.根據權利要求5所述的一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述納米粉ZrO2及羥基磷灰石的純度≥98％。
7.根據權利要求5所述的一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述納米粉體ZrO2及羥基磷灰石的粒度大小為50～150nm。
8.根據權利要求5所述的一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，其特征在于所述ZrO2/羥基磷灰石復合粉按照質量百分比的配比由ZrO285-95％、羥基磷灰石5-15％組成。
全文摘要
一種納米生物陶瓷人工關節的成形方法，它涉及納米陶瓷材料的成形工藝。為了解決陶瓷復雜形狀加工困難的問題，本發明納米陶瓷成形人工關節按照下述步驟進行制備a.采用熱壓燒結方法對Al
文檔編號A61L27/10GK1911862SQ20061001048
公開日2007年2月14日 申請日期2006年9月1日 優先權日2006年9月1日
發明者王竹菊, 韓文波 申請人:哈爾濱醫科大學