氧化鋯陶瓷及其復合材料

『壹』 陶瓷復合材料的種類

陶瓷基體材料主要以結晶和非結晶兩種形態的化合物存在，按照組成化合物的元素不同，又可以分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，還有一些會以混合氧化物的形態存在
氧化物陶瓷基體
(1)氧化鋁陶瓷基體 以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學穩定的相態。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁陶瓷，95氧化鋁陶瓷，85氧化鋁陶瓷等
(2)氧化鋯陶瓷基體 以氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6-5.9g/cm3，熔點2175℃。穩定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導熱系數小，韌性好，化學穩定性良好．高溫時具有抗酸性和抗鹼性。
氮化物陶瓷基體氮化物陶瓷基體氮化物陶瓷基體氮化物陶瓷基體
(1)氮化硅陶瓷基體
以氮化硅為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有兩種形態。此外氮化硅還具有熱膨脹系數低，優異的抗冷熱聚變能力，能耐除氫氟酸外的各種無機酸和鹼溶液，還可耐熔融的鉛、錫、鎳、黃鋼、鋁等有色金屬及合金的侵蝕且不粘留這些金屬液。
(2) 氮化硼陶瓷基體
以氮化硼為主要成分的陶瓷稱為氯化硼陶瓷。氮化硼是共價鍵化合物 ，碳化物陶瓷基體碳化物陶瓷基體碳化物陶瓷基體碳化物陶瓷基體 以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。碳化硅是一種非常硬和抗磨蝕的材料，以熱壓法製造的碳化硅用來作為切割鑽石的刀具。碳化硅還具有優異的抗腐蝕性能，抗氧化性能
(1)碳化硼陶瓷基體
以碳化硼為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷。碳化硼是一種低密度、高熔點、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通過無壓燒結、熱壓等制備技術形成緻密的材料。

『貳』 生物醫學工程分類

工程分支
醫用復合材料
生物醫用復合材料（biomedical composite materials）是由兩種或兩種以上的不同材料復合而成的生物醫用材料，它主要用於人體組織的修復、替換和人工器官的製造[1]。長期臨床應用發現，傳統醫用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結合，在生理環境中或植入體內後受生理環境的影響，導致金屬離子或單體釋放，造成對機體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學穩定性和相容性、高的強度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強度低、脆性大，在生理環境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它只能應用於不承受負荷或僅承受純壓應力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應用的要求。利用不同性質的材料復合而成的生物醫用復合材料，不僅兼具組分材料的性質，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結構和性質類似於人體組織的生物醫學材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫用復合材料必將成為生物醫用材料研究和發展中最為活躍的領域。
1.生物醫用復合材料組分材料的選擇要求
生物醫用復合材料根據應用需求進行設計，由基體材料與增強材料或功能材料組成，復合材料的性質將取決於組分材料的性質、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫用高分子、醫用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫用不銹鋼、鈷基合金等醫用金屬材料；增強體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。
植入體內的材料在人體復雜的生理環境中，長期受物理、化學、生物電等因素的影響，同時各組織以及器官間普遍存在著許多動態的相互作用，因此，生物醫用組分材料必須滿足下面幾項要求：⑴具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復合後不出現有損生物學性能的現象；⑵具有良好的生物穩定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的生物反應；⑶具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；⑷具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應用受到限制。
2.生物醫用復合材料的研究現狀與應用
陶瓷基生物醫用復合材料
陶瓷基復合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強體材料而獲得的一類復合材料。生物陶瓷基復合材料雖沒有多少品種達到臨床應用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領域，其研究主要集中於生物材料的活性和骨結合性能研究以及材料增強研究等。
Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開始了臨床應用研究，但它與生物硬組織的結合為一種機械的鎖合。以高強度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優良力學性能的基礎上賦予其一定的生物活性和骨結合能力。將具有不同膨脹系數的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴塗的方法，在緻密Al2O3陶瓷髖關節植入物表面進行塗層，試樣經高溫處理，大量的Al2O3進入玻璃層中，有效地增強了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結合，復合材料在緩沖溶液中反應數十分鍾即可有羥基磷灰石的形成。為滿足外科手術對生物學性能和力學性能的要求，人們又開始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機械強度等方面的綜合性能得以改善。這些年來，對羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）復合材料的研究也日益增多。30% HA與70%TCP在1150℃燒結，其平均抗彎強度達155MPa，優於純HA和TCP陶瓷，研究發現HA-TCP緻密復合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大於純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復合材料植入動物體內，其性能起初類似於β-TCP，而後具有HA的特性，通過調整HA與TCP的比例，達到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復合材料，植入兔骨中8周後取出，骨質與復合材料之間的剪切破壞強度達27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。
生物醫用陶瓷材料
生物醫用陶瓷材料由於其結構本身的特點，其力學可靠性（尤其在濕生理環境中）較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結合性能研究，並未能解決材料固有的脆性特徵。因此生物陶瓷的增強研究成為另一個研究重點，其增強方式主要有顆粒增強、晶須或纖維增強以及相變增韌和層狀復合增強等[3，5～7]。當HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時，材料經1350～1400℃熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.8～3.0MPam1/2。ZrO2增韌β-TCP復合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強。納米SiC增強HA復合材料比純HA陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。晶須和纖維為陶瓷基復合材料的一種有效增韌補強材料，用於補強醫用復合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強生物活性玻璃陶瓷材料，復合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數高。
數字信號處理
數字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術開發、
工業生產、國防和國民經濟的各個領域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。數字信號處理系統的優越性表現為：1.靈活性好：當處理方法和參數發生變化時，處理系統只需通過改變軟體設計以適應相應的變化。2.精度高：信號處理系統可以通過A/D變換的位數、處理器的字長和適當的演算法滿足精度要求。3.可靠性好：處理系統受環境溫度、濕度，雜訊及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規模集成：隨著半導體集成電路技術的發展，數字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產品一致性好等優點。
然而，數字信號處理系統由於受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間內遠不如模擬信號處理系統，使得數字信號處理系統的應用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP（數字信號處理）晶元誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP晶元，也稱數字信號處理器，是一種特別適合進行數字信號處理運算的微處理器。DSP晶元的出現和發展，促進數字信號處理技術的提高，許多新系統、新演算法應運而生，其應用領域不斷拓展。DSP晶元已廣泛應用於通信、自動控制、航天航空、軍事、醫療等領域。
70年代末80年代初，AMI公司的S2811晶元，Intel公司的2902晶元的誕生標志著DSP晶元的開端。隨著半導體集成電路的飛速發展，高速實時數字信號處理技術的要求和數字信號處理應用領域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP晶元取得了劃時代的發展。從運算速度看，MAC（乘法並累加）時間已從80年代的400 ns降低到40 ns以下，數據處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到40 MIPS以上。DSP晶元內部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區的40%左右下降到小於5%，片內RAM增加了一個數量級以上。從製造工藝看，20世紀80年代初採用4μm的NMOS工藝而如今則採用亞微米CMOS工藝，DSP晶元的引腳數目從80年代初最多64個增加到200個以上，引腳數量的增多使得晶元應用的靈活性增加，使外部存儲器的擴展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP晶元相比，DSP晶元有浮點和定點兩種數據格式，浮點DSP晶元能進行浮點運算，使運算精度極大提高。DSP晶元的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP晶元有了很大程度的下降。在DSP開發系統方面，軟體和硬體開發工具不斷完善。某些晶元具有相應的集成開發環境，它支持斷點的設置和程序存儲器、數據存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，並可以採用高級語言編程，有些廠家和一些軟體開發商為DSP應用軟體的開發准備了通用的函數庫及各種演算法子程序和各種介面程序，這使得應用軟體開發更為方便，開發時間大大縮短，因而提高了產品開發的效率。

『叄』 有關陶瓷基復合材料的文獻有哪些

李霞.顧幸勇.劉琪 查看詳情 [期刊論文] -中國陶瓷2004(03)
高朋召 三維碳纖維預制體/陶瓷基復合材料的制備及性能研究 2004
廖樹幟.張邦維 查看詳情 [期刊論文] -稀有金屬材料與工程1998(05)
鄭燕青.施爾畏.李汶軍 查看詳情 [期刊論文] -中國科學2001(04)
葛榮德.劉志宏 查看詳情 1995
Voleeanov E 查看詳情 2007(2-3)
Blumm J 查看詳情 2005(09)
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