Новый нанокомпозит ZrO2/Al2O3, полученный из гибридных наночастиц, полученных с помощью CO2 Laser Co.

Jul 06, 2023

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20589 (2016) Цитировать эту статью

5664 Доступа

51 цитат

41 Альтметрика

Подробности о метриках

Цирконий, упрочненный оксидом алюминия (ATZ) и оксид алюминия, упрочненный оксидом алюминия (ZTA), в настоящее время являются предпочтительными материалами для удовлетворения потребности в прочной, прочной и биоинертной керамике для медицинских устройств. Однако механические свойства дисперсионной керамики ZrO2/Al2O3 можно значительно повысить за счет уменьшения соответствующих размеров зерен и улучшения однородности фазовой дисперсии. Здесь мы готовим наночастицы с внутричастичным фазовым распределением Zr(1-x)AlxO(2-x/2) и (γ-, δ-)Al2O3 путем одновременной газофазной конденсации необработанных лазером совместно напыленных порошков диоксида циркония и оксида алюминия. . При последующем искровом плазменном спекании дефектные структуры диоксида циркония и переходные фазы оксида алюминия преобразуются в однородно распределенную дисперсию тетрагонального ZrO2 (52,4 об. %) и α-Al2O3 (47,6 об. %). Керамика, спеченная искровым плазменным спеканием, является полностью плотной со средним размером зерен около 250 нм. Выдающиеся механические свойства (прочность на изгиб σf = 1500 МПа, вязкость разрушения KIc = 6,8 МПа · м1/2) вместе с высокой устойчивостью к низкотемпературной деградации делают эти материалы перспективными кандидатами для биокерамики нового поколения при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава и зубных имплантатах.

Композиты оксидной керамики α-оксида алюминия (α-Al2O3) и тетрагонального диоксида циркония (t-ZrO2) используются во многих технических и биомедицинских приложениях благодаря сочетанию превосходной коррозионной стойкости, высокого удельного электросопротивления, хорошей биосовместимости, низкого трения, высокой износостойкости. сопротивление и высокая прочность1. В частности, для биомедицинских применений, таких как зубные имплантаты и полные протезы суставов, их комбинация является предпочтительным материалом, если требуются высоконадежные биоматериалы с превосходными механическими свойствами2.

Дисперсия обоих материалов в так называемом оксиде циркония, закаленном оксидом алюминия (ATZ) и оксиде алюминия, закаленном оксидом циркония (ZTA), направлена ​​на объединение высокой прочности и ударной вязкости t-ZrO2 с превосходными трибологическими свойствами и стойкостью к старению α-Al2O31,2. Кроме того, известно, что небольшие количества оксида алюминия стабилизируют тетрагональную матричную фазу ZrO23 и подавляют рост зерен за счет закрепления Зинера4. Однако механические свойства дисперсионной керамики ZrO2/Al2O3, описанные в литературе, сильно различаются, поскольку они во многом зависят от соотношения и однородности распределения фаз, размера зерна и пористости, а также от обработки и спекания. условия1,2,5,6,7,8. Например, прочность на изгиб σf и вязкость разрушения KIc современной дисперсной керамики ZrO2/Al2O3, описанной в литературе, достигают 1288 МПа и 6,2 МПа·м1/2 для керамики ZTA7, состоящей из 76 массовых % Al2O3 (средний размер зерна d50 = 730 нм) и 24 мас.% ZrO2 (d50 = 330 нм) соответственно, а также 1166 МПа и 7,4 МПа м1/2 для керамики ATZ2, состоящей из 80 мас.% ZrO2 и 20 мас.% Al2O3 со значениями d50 около 400 нм для обоих компонентов. Известно, что механические свойства композитов ZrO2/Al2O3 можно значительно повысить за счет уменьшения соответствующих размеров зерен и улучшения однородности фазовой дисперсии9. Кроме того, эти факторы имеют решающее значение в гидротермальных условиях. В керамике ZTA самопроизвольное превращение тетрагональных зерен ZrO2 в моноклинные во влажной среде и в диапазоне температур от 20 до 300 °C, т.е. низкотемпературная деградация (НТД), происходит легче, если размер зерна ниже критического значения ( 500 нм)10. Кроме того, их узкое распределение по размерам, а также их концентрация и изоляция, т.е. отсутствие агрегатов, важны для ингибирования межзеренной диффузии воды, которая может привести к преждевременной трансформации10. Для ATZ дисперсия и распределение зерен Al2O3 по размерам еще более критичны для поведения LTD из-за большой доли t-ZrO211. Для этой цели могут быть желательны наночастицы ZrO2/Al2O3 с внутричастичной фазовой дисперсией, а не просто смешивание разных порций сырья.