【正文】 0 世紀(jì) 60 年代，無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料的研究與應(yīng)用已進(jìn)入了一個發(fā)展較快的階段，這主要是明確了它與其他材料相比有如下特點(diǎn)： ①構(gòu)成材料的物質(zhì)結(jié)合以離子鍵或共價(jià)鍵為主，因而具有優(yōu)良的機(jī)械性能，如高耐壓強(qiáng)度、高硬度、耐磨損等；高的化學(xué)穩(wěn)定性，在體內(nèi)不易溶解、不易氧化、不易腐蝕、熱穩(wěn)定性好，便于滅菌消毒，與人體組織親和性好，幾乎看不到人體組織對它的排斥性。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 5 生物陶瓷是一類具有特殊生理行為要求的陶瓷材料，它應(yīng)滿足下述生物學(xué)要求或具備下述條件： ①生物相容性，即生物陶瓷必須對生物體無毒、無害、無刺激、無過敏反應(yīng)、無致畸、致突變和致癌等作用，同時，它又不會被生化作用所破壞。這種結(jié)合可以是組織長入不平整的植入體表面所形成的機(jī)械嵌聯(lián)，也可以是植入體和生理環(huán)境間發(fā)生生化反應(yīng)而形成的化學(xué)鍵結(jié)合。 氧化鋯陶瓷作為醫(yī)學(xué)材料 氧化鋯陶瓷材料作為牙科修復(fù)材料的優(yōu)點(diǎn) a 良好的生物相容性 ZrO2 陶瓷是生物惰性材料，不具有生物活性，不會與組織和口腔分泌物反應(yīng)，具有很好的生物相容性，在口腔內(nèi)能穩(wěn)定存在，不釋放有害雜質(zhì)，并且不降解。同時，牙用 ZrO2陶瓷表面光滑，便于清潔，不利斑菌附著。 Mclaren和 Kin等分別研制了用于后牙冠和三單位固定牙橋ZrO2 增韌氧化鋁 (Al2 O3 )陶瓷的復(fù)相材料 (ZTA)，該材料強(qiáng)度可以達(dá)到 600～ 800MPa，斷裂韌性 MPa他們在 ZrO2 陶瓷模擬生理負(fù)載條件下的慢裂紋增長實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若疲勞應(yīng)力低于某一應(yīng)力域值，裂紋不會發(fā)生擴(kuò)張，從而進(jìn)一步延長了 ZrO2 陶瓷修復(fù)體的使用壽命。而如果前牙修復(fù)體基底核為金屬或合金，則顯暗黑色，即使使用遮色層亦難達(dá)到好的美學(xué)效果。由于金屬的熱導(dǎo)率高，以金屬為核樁的修復(fù)體在受熱時易引起組織損傷，而 ZrO2陶瓷的熱系數(shù)低 (在 100～ 1000C? 區(qū)間僅為 1． 7～ w/m 氧化鋯陶瓷作為牙科修復(fù)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀 a ZrO2 涂層 ZrO2 由于其化學(xué)性能穩(wěn)定，在正常生理代謝作用下能耐受體液作用不發(fā)生變質(zhì)，故不僅可用于金屬植入材料涂層，在作為 CoCr合金涂層時也可以降低金屬離子在人工唾液中的釋放，近年隨著納米技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了納米氧化鋯涂層，有人認(rèn)為若將涂層技術(shù)用于口腔鑄造金屬支架上，也可以降低金屬離子析出，提高材料耐腐蝕性。氧化鋯陶瓷的可切削性也引起了人們的極大興趣， Li Yin研究 認(rèn)為 ZrO2 陶瓷材料適宜口腔臨床條件下的機(jī)械切割 . Luthardt等嘗試用 CAD／ CAM技術(shù)處理氧化鋯陶瓷，用 Proeera方法畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 制作 ZrO2 陶瓷核冠，顯示 ZrO2 陶瓷與飾面瓷結(jié)合制作全瓷冠有良好的應(yīng)用前景：國內(nèi)榮天君等通過氧化鋯與玻璃陶瓷材料相結(jié)合降低其硬度，提高了其可切削性。 Erik Asmussen比較了 ZrO2 瓷樁、鈦金屬樁、炭纖維樁的力學(xué)性能，認(rèn)為 ZrO2 瓷樁強(qiáng)度高硬度大，但彈性小，根管預(yù)備時應(yīng)盡可能保留根管壁的牙體組織，防止根折。 m 2/1 ；國內(nèi)，華西醫(yī)科大學(xué)巢永烈教授等正研制納米氧化鋯，氧化鋁復(fù)合滲透型陶瓷材料。能溶于硫酸、氫氟酸、熱的鹽酸和硝酸中，也能溶于熔融的硫酸氫鉀。納米氧化鋯顆粒尺寸微小、是很穩(wěn)定的氧化物，具有耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐高溫的性能，可用于功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷，以及寶石材料，其性能比微米級氧化鋯大大改善。 納米氧化鋯陶瓷研究進(jìn)展 納米（ nm）是一個尺度的度量單位， 1 nm=109? m，廣義地講， 納米材料就是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（ nm） 或以它們作為基本單元構(gòu)成的材料 。納米材料晶粒極小，表面積特大，在晶粒表面無序排列的原子百分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶態(tài)材料表面原子所占的百分?jǐn)?shù)，晶界原子達(dá) 15%～ 50%，導(dǎo)致了納米材料具有傳統(tǒng)固體所不具備的許多特殊性質(zhì)，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等?？梢苑譃?03，13， 22， 33 等多種復(fù)合。納米陶瓷的出現(xiàn)為解決其脆性問題帶來了希望，英國著名材料學(xué)家 Kahn 在《自然》雜志撰文 “ 納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略 途徑。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 第二章 納米氧化鋯陶瓷的相變增韌機(jī)制及制備 氧化鋯的相變 常壓下純氧化鋯 存在三種晶體結(jié)構(gòu) ：立方相結(jié)構(gòu)（ Cubic Zirconia,c ZrO2 ）、四方相結(jié)構(gòu)（ Tetrgonal Zirconia,t ZrO2 ）、單斜相結(jié)構(gòu) （ Monoclinal,m ZrO2 ），在不同溫度范圍內(nèi)可相互轉(zhuǎn)化，其晶型轉(zhuǎn)化如 下所示： 單斜結(jié)構(gòu) 1170℃ 四方結(jié)構(gòu) 2370℃ 立方結(jié)構(gòu) 2715℃ 液 （ m ZrO2 ） 900℃ （ t ZrO2 ） (c ZrO2 ） 相 三種晶型氧化鋯的密度分別為：單斜型 g/cm3 ，四方型 g/cm3 ，立方型 g/cm3 。其中 t － ZrO2 － m － ZrO2 轉(zhuǎn)變具有以下特點(diǎn)：第一，相變屬于無擴(kuò)散型的馬氏體相變；第二，當(dāng)溫度降低至約 1000 ℃ 時，四方相氧化鋯轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毖趸啠殡S有 3— 5% 的體積膨脹和 8% 的剪切應(yīng)變；第三，四方到單斜的可逆相變溫度隨著 ZrO2 顆粒尺寸的減小而降低，并且可以通過添加其它氧化物加以調(diào) 整。 氧化鋯的增韌機(jī)制 陶瓷的增韌機(jī)制 陶瓷的增韌是陶瓷研究中最重要的部分。在獲得的許多復(fù)合材料中，韌性與應(yīng)力 應(yīng)變性能都能得到提高。 相轉(zhuǎn)變法 相轉(zhuǎn)變指溫度或應(yīng)力的變化引起晶體結(jié)構(gòu)的變化。其特殊之處在于它的晶形轉(zhuǎn)變。但如果在氧化鋯中加入一定量的穩(wěn)定劑如氧化鈣、氧化鎂或氧化釔時，就會阻止這種相轉(zhuǎn)變的發(fā)生，把氧化鋯穩(wěn)定在立方晶形。穩(wěn)定氧化鋯的斷裂韌性只有 6 2/1 ,而半穩(wěn)定氧化鋯竟能達(dá)到 15 2/1 .經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，正是分散在基體中的細(xì)微的四方晶粒的相轉(zhuǎn)變起到了增韌作用。由于只是小晶粒的體積膨脹，不會使整個材料開裂，只會在晶粒四周引發(fā)一些微裂紋。為得到最大程 度的增韌，氧化鋯的加入量也必須在一個最佳水平。在應(yīng)力作用下，晶體對氧化鋯的壓迫不再起作用，氧化鋯晶粒就會發(fā)生相轉(zhuǎn)變。 含有氧化鋯材料的馬氏體相變誘發(fā)微裂紋，有三種途徑： (1)單斜相的氧化鋯在較高的燒結(jié)溫度下為四方相，冷卻過程中發(fā)生四方相→單斜相的馬氏體相變，在顆粒周圍產(chǎn)生微裂紋； (3)四方相氧化鋯晶粒由于燒結(jié)溫度過高而造成晶粒尺寸 r大于臨界相變尺寸 rc 在冷卻過程中自發(fā)相變?yōu)閱涡毕嘌趸e，產(chǎn)生微裂紋： (3)四方相氧化鋯在應(yīng)力條件下．相變成單斜相氧化鋯。表面打磨更容易引發(fā)表面附近氧化鋯的相轉(zhuǎn)變。人們知道，陶瓷歷來對裂縫敏感，尤其對表面裂紋敏感。 （ 3） t ZrO2分散到其它陶瓷基體，如氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ ZTA）。 m 2/1 ） （ MPa當(dāng)基體的熱膨脹系數(shù)大時，裂紋向納米顆粒擴(kuò)展，如果納米顆粒本身及其與基體顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度足夠大，納米顆粒此時甚至可以對裂紋起到釘扎的作用；當(dāng)基體的熱膨脹系數(shù)小時，擴(kuò)展裂紋趨于沿切向繞過納米顆粒。在晶須復(fù)合陶瓷基材料和粗晶 ZrO2 陶瓷及 Si3 N4 陶瓷中，由于晶須、 ZrO2 粗顆粒和 ?? Si3 N4 長顆粒對裂紋表面的橋連作用，使材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的 R曲線效應(yīng)，由此導(dǎo)致材料韌性顯著改善。 在脆性陶瓷基體材料中加入延性粒子能夠明顯提高材料的斷裂韌性。 ③ 晶粒拔出 拔出效應(yīng)是指當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到高強(qiáng)度晶 須時，在裂紋尖端附近晶須與基體界面上存在較大的剪切應(yīng)力，該應(yīng)力極易造成晶須與界面的分離開裂，晶須可以從基體中拔出，因界面摩擦而消耗外界載荷的能量而達(dá)到增韌的目的。當(dāng)晶須與基質(zhì)的界面剪切應(yīng)力很低 ，而晶須的長度較（ 100um ） ,強(qiáng)度較高時，拔出效應(yīng)顯著。 納米陶瓷自增韌 如果在陶瓷基體中引入第二相材料，該相不是事先單獨(dú)制備的，而是在原料中加入可以生成第二相的原料，控制生成條件和反應(yīng)過程，直接通過高溫化學(xué)反應(yīng)或者相變過程，在主晶相基體中生長處均勻的晶須、高長徑比的棒狀晶?；蚓脑鰪?qiáng)體（棒狀或片狀晶粒的形成必須滿足熱力學(xué)相動力學(xué)條件），形成陶瓷復(fù)合材料，則稱為自增韌。一般認(rèn)為反應(yīng)式為： ZrOCl2+2NH40H+(n+1)H20→ Zr(OH)4如能找到合適的分散劑，則可克服粉末易團(tuán)聚的缺點(diǎn)。 2)二次電熔法是將鋯英石與炭粉按比例混勻后，經(jīng)電弧爐電熔脫硅處理，驟冷，再經(jīng)破碎制成單斜相二氧化鋯。用此法生產(chǎn)的穩(wěn)定型二氧化鋯和脫硅鋯已占市場的主導(dǎo)地位。 氧化鋯制備展望 穩(wěn)定二氧化鋯雖然有多種制備方法，為二氧化鋯在實(shí)際的工程應(yīng)用提 供了必要條件，但都存在著這樣或那樣的缺點(diǎn)，需要不斷地加以克服和完善，并且大多處于試驗(yàn)基礎(chǔ)上，缺乏必要的理論支持，特別是二氧化鋯穩(wěn)定機(jī)理的研究還存在較大的空白。在制備不同的陶瓷粉體時 ,同樣的方法所需要的條件也可能不同。 （ 2） 固相法 通過從固相到固相的變化來 制備超微粉，包括固相反應(yīng)法、火花放電法、球磨法等，用固相法制備氧化鋯納米粉的報(bào)道較少。干 燥過程中由于納米 ZrO2 顆粒表面能大，在毛細(xì)管力作用下也容易產(chǎn)生 嚴(yán)重影響粉體性能的硬團(tuán)聚，因此采用適當(dāng)?shù)母稍锛夹g(shù)和工藝條件是十分必要的，當(dāng)前人們采用冷凍干燥法、超臨界流體干燥法、溶劑置換干燥法、噴霧干燥法等有效減少了干燥過程中納米粉本的團(tuán)聚。 材料和方法 主要試劑 氧氯化鋯（ ZrOCl2 納米氧化鋯粉體的成型與燒結(jié) 硝酸釔 氧氯化鋯 溶于無水乙醇 氨水乙醇溶液 減壓抽濾 沉淀 無水乙醇洗滌 烘干 煅燒 白色納米粉末 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 21 由于納米級粉體具有極高的比表面積，燒結(jié)時納米顆粒在高表面活化能驅(qū)動下更容易發(fā)生團(tuán)聚，所以在保證一定致密度前提下控制納米顆粒的長大是燒結(jié)的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比，不僅節(jié)約了時間和能源，而且所得燒結(jié)樣品晶粒均勻，致密度高，力學(xué)性能好。 實(shí)驗(yàn)步驟： （ 1）將不同配比的納米 α Al2O3粉體加 入 3YZrO2造粒粉中，以無水乙醇為介質(zhì)球磨混勻 10h，烘干， 過 60 目篩備用； （ 2）素坯成型：在不銹鋼模具中以 250Mpa 壓力將粉體干壓成型， 升壓 1 min，保壓 30 s,降壓 1 min； （ 3）燒結(jié)：空氣氧化氣氛燒結(jié)，燒結(jié)制度為： 實(shí)驗(yàn)儀器及測試方法 （ 1）試樣密度及表觀氣孔率的測試 用阿基米德排水法測試試樣密度及表觀氣孔率密度計(jì)算公式： ρ =W1/V 排水 =W1/(W1－ W2) （ 24） W1— 試樣在空氣中質(zhì)量 W2— 試樣在水中質(zhì)量 表觀氣孔率計(jì)算公式： 表觀氣孔率 =（ W 濕 － W 干 /W 濕 － W 水 ） 100% （ 25） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 23 W 濕 — 試樣吸水后質(zhì)量 W 干 — 干燥試樣空氣中質(zhì)量 W 水 — 試樣在水中質(zhì)量 （ 2）線收縮率測定 用精度 mm 的游標(biāo)卡尺測量燒結(jié)前后試樣長度變化，計(jì)算公 式： 線收縮率ε =(L0－ L)/L0100% (26) L— 試件燒結(jié)后長度 L0— 試件燒結(jié)前長度 （ 3）抗彎強(qiáng)度測試 將試件打磨光滑，超聲波清洗干燥后，在 CMT6000 系列臺式 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī) (圖 27)上測試三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。a 1/2/2 bw2 (28) 圖 27 CMT6000微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī) P— 斷裂時的載荷（ N） L— 測試跨距（ mm）W— 試件厚度（ mm） b— 試件寬度（ mm） A— 切口深度 a/w= Y 為無量綱系數(shù)，當(dāng) L/W=4 時， Y=(a/w)+(a/w)(a/w)3+(a/w)4 (29) （ 5）硬度測試 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 24 用上海材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的 型布洛維光 學(xué)硬度計(jì)（圖 28）測量試樣的維試硬度。 m 189。 177。 斷裂韌性 (Mpa?m1/2) 177。 177。 177。 177。但是在一定體積分?jǐn)?shù)之內(nèi)，添加 α Al2O3納米粉之后，納米復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能會更好。在本組實(shí)驗(yàn)中填加 5vol%納米 α Al2O3粉體的試樣力學(xué)性能最佳，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到 177。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 27 第三章 平面磨削過程中溫度場數(shù)值仿真 的有限元分析 在平面磨削的加工中，一般是利用最簡單的熱電偶法測量磨削區(qū)溫度場，當(dāng)用頂式測溫試件測溫時，需在試驗(yàn)件上鉆出好幾個臺階孔，這樣才能測量出磨削區(qū)不同深度的溫度值；當(dāng)利用紅外傳感技術(shù)，只能測得整個磨削 區(qū)的平均 溫度，為研究磨削區(qū)溫度場的機(jī)理帶來了很大的困難。本章就以 CBN 砂輪磨削氧化鋯陶瓷材料為例對磨削區(qū)的溫