[发明专利]由主成分氧化铝和氧化锆组成的陶瓷复合材料

说明书

本发明涉及一种由作为陶瓷基质的氧化铝和分散其中的氧化锆组成的复合材料以及其制备方法和其应用。

金属合金和陶瓷材料的分子结构明显不同。在金属键中电子无序地并以相对小的结合力围绕原子核旋转。离子不断从这种“松散”结构脱离例如进入到身体环境中；可能发生各种各样的化学反应。

在陶瓷分子中，电子在陶瓷键中遵循准确的预定轨道，即所谓的有向的电子轨道。其结合力非常大，以致该分子特别稳定。因此没有出现离子的形成，且实际上不可能发生化学反应。

极其稳定的陶瓷键几乎排除了材料的塑性变形。这一方面产生了所期望的极其高的硬度，但另一方面又导致相对高的脆性。但用恰当的材料设计可同时实现高硬度和高韧性。

材料科学区分断裂强度和断裂韧性。断裂强度表示材料经受的而未断裂的最大机械应力，断裂韧性或也称裂纹韧性表示材料抗裂纹生长发生的能力。现今，在医学技术中已经使用具有非常高的断裂强度的陶瓷材料。某些这类陶瓷材料还被赋予了极高的断裂韧性。与其它陶瓷相比，这类材料可明显更好地抵抗裂纹的发生和中断裂纹进程。

该特性基于两个增强机理。该第一个增强机理归因于所贮存的四方形的氧化锆纳米颗粒。该颗粒在稳定的氧化铝-基质中呈单个分布。这些颗粒在裂纹区产生局部压力峰，并由此起抗裂纹扩展的作用。

第二个增强机理是由小片形的晶体实现的，该晶体在氧化物混合物中同样孤立地形成。这些“片晶”使可能的裂纹转向、分散断裂能和由此消散断裂能。该两功能使得也可用这类材料构成以前用陶瓷不可实现的组件几何形状。

本发明的目的在于，进一步改进己知陶瓷材料的特性。

本发明涉及一种陶瓷复合材料，其由主成分即氧化铝和氧化锆以及一种或多种可影响复合材料的特性的无机添加料组成。其中氧化铝构成主成分，其体积含量为＞65 %，优选85-90 %，氧化锆构成副成分，其体积含量为10-35 %。此外，氧化铝和氧化锆均还可以包含可溶性成分。作为可溶性成分可以具有下列元素的一种或多种：Cr、Fe、Mg、Ti、Y、Ce、Ca、镧系元素和/或V。氧化锆在起始状态以主要份额为正方晶相存在，按总氧化锆含量计，所述正方晶相优选为80-99 %，特别优选为90-99 %。己知的氧化锆从正方晶形向单斜晶形的相变在根据本发明的复合材料中被用作增强机理，以有利影响断裂韧性和强度。

令人意外的是，在本发明的复合材料中氧化锆的正方晶相的稳定作用不是化学实现的，而是力学实现的。因此，相对于氧化锆含量，无机的化学稳定剂的含量限制这样的值上，该值在明显低于现有技术通常使用的含量。在现有技术中通常优选使用的化学稳定剂是Y₂O₃。其它已知的稳定剂是CeO₂、CaO和MgO。

适于陶瓷复合材料的已知配方的实例是：

名称基于ZrO₂计的Y₂O₃ %Y-TZP⁽¹⁾2.8或3.2ZTA⁽²⁾1.3

⁽¹⁾钇增韧氧化锆  ⁽²⁾氧化锆增韧氧化铝。

在本发明的复合材料中，使用的稳定剂含量明显低于现有技术中使用的含量。根据本发明，可通过在本发明的复合材料中将这种氧化锆嵌入氧化铝-基质中，该氧化锆通过在该基质中的嵌入以亚稳的正方晶相而稳定(力学稳定化)。