醫療植入體先進陶瓷的發展歷程
二十世紀七十年代
上個世紀70年代，氧化鋁憑借低摩擦、潤濕性、高耐磨性和生物相容性這些優良性能，一直用來生產陶瓷-聚合物(CoP)和陶瓷-陶瓷(CoC)負載結構的人工髖關節。這得益于氧化鋁的低摩擦性、潤濕性、高耐磨性和生物相容性。
多年來，通過使用晶粒尺寸更小的粉末、使用HIP工藝降低孔隙率及提高斷裂韌性，產品性能逐漸得到改善。然而，高斷裂率和軸承噪音仍然存在，需要進一步改進材料。
二十世紀八十年代
到了八十年代，部分穩定狀態的氧化鋯(PSZ)因為其出色的斷裂韌性和高強度被引入骨科市場，用于阻止和偏轉擴展裂紋從而提高斷裂韌性的應力誘導相變機制被證明難以控制。這導致植入物的體內骨折率很高。
二十世紀九十年代
經過幾十年的研究，最終在20世紀90年代開發了氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)，ZTA是一種氧化鋁基復合陶瓷，其中氧化鋁為主要和連續相(70-95%)，氧化鋯為第二相(30% - 5%)，彌散的ZTA提高了基體的斷裂韌性，這種材料在2001年成功推向市場。
熱等靜壓（HIP）
—氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)生產的最佳選擇
ZTA雖然屬性優良，但是采用傳統的致密化技術生產的ZTA 仍然無法承受高應力應用中的磨損。無壓燒結產生的殘留氣孔和孔洞會變成裂紋源，這會導致產品的強度和可靠性降低。而Quintus Technologies先進的熱等靜壓技術就完美地解決了這些問題，通過高溫高壓致密化處理減少孔洞和氣孔，直接提高了ZTA的強度和壽命，充分發揮材料設計的潛力。
Quintus Technologies先進的HIP系統提高ZTA的生產率
配備均勻快速冷卻（URC?）的Quintus Technologies熱等靜壓設備可對氣孔和孔洞進行必要的致密化，并且有可能將生產率最高提升100%。URC?是一種內置的冷卻控制功能，利用HIP爐內壓縮的高密度氣體的強制對流來實現。
用于ZTA陶瓷的典型致密化循環，使用溫度 >1400°C，壓力 >1000bar。在傳統的HIP設備中，90公斤ZTA有效載荷的一個循環時間超過18小時。整個加工過程中超過一半的時間是用于熔爐的自然冷卻，冷卻時間并不產生效益。通過使用Quintus Technologies的URC?，熔爐可以在1小時內從1500C降至300C（-20K/min），而傳統的熔爐則需要大約10小時，因此采用Quintus Technologies的URC?的熱等靜壓系統，不僅能實現ZTA的性能最大化，還可以將生產率提高一倍以上。
無快冷和帶有快冷的循環
使用均勻快速冷卻(URC?)加速HIP循環
ZTA髖杯在強制冷卻過程中的熱彈性應力
由于強制冷卻會增加產品表面的熱拉伸應變，因此必須通過計算來控制冷卻速率以確保熱彈性應力不會超過產品的最終斷裂應力和PSZ島相變的觸發應力。
為了估算快速冷卻過程中產生的應力，Quintus Technologies的工程師使用了一組商用ZTA材料數據，并使用了各種形狀和尺寸的髖杯（例如，壁厚12毫米）進行計算， 發現使用氣體對流以 20K/min冷卻的熱沖擊將明顯小于熱傳導系數<1000 W/(m2K)時的無限冷卻熱沖擊，可以通過以下公式計算產生的應力：
σth-el = ΔTα E β / (1-ν)
公式1 – 氣體對流冷卻下的熱彈性應力
? σth-el 熱彈性應力 [MPa]
? ΔT 材料中與冷卻速率相關的溫度梯度
? ν 泊松比
? E 彈性模量 [MPa]
? α 熱膨脹系數 [1/K]
? β 畢奧數
其中 β = r h / λ
公式 2 – 畢奧數
? r 組件最厚截面的半徑i [m]
? h 冷卻速率相關的傳熱系數 [W/(m2 K)]
? λ 材料的熱導率 [W/(mK)]
由于冷卻是在等靜壓應力下進行，實際HIP壓力將抵消主要熱彈性拉應力:
σtot cooling = σth-el (tension) + σIso (compression)
公式 3 – 冷卻過程中在熱等靜壓組件中產生的主要應力
使用Quintus Technologies內部研究發現的ΔT和傳熱系數數據，可以得出典型的ZTA髖杯在控溫冷卻速度為20K/min的URC?冷卻段，將主要處于壓縮熱彈性應力下，并遠低于其最終斷裂強度。與接近無限傳熱系數的熱沖擊暴露相反，例如油淬或水淬，URC?段中溫和的氣體對流冷卻將顯著降低熱彈性應力。
在研究強制冷卻期間PSZ島自發相變的概率時，X.Wang4發現四方到單斜相變的觸發應力約為300MPa。由此可以得出結論，在URC?冷卻過程中ZTA髖杯中出現的熱彈性應力將遠低于相變的觸發應力。
Quintus科技先進技術與ZTA的完美結合
ZTA結合了氧化鋁的硬度和耐磨性，同時氧化鋯提高了斷裂韌性和強度，成為當今CoC關節置換的基準材料。為了充分發揮材料體系的潛力，對氣孔和孔洞進行HIP致密化是最佳做法，也是確保ZTA的高韌性和斷裂強度所必需的。采用Quintus Technologies的熱等靜壓系統和URC?爐的快速冷卻功能，可以在顯著提升生產率的同時確保產品的完整性和可靠性。
原文始發于微信公眾號（Quintus Technologies）：先進的熱等靜壓技術（HIP）提高醫療陶瓷生產率