醫(yī)療植入體先進(jìn)陶瓷的發(fā)展歷程
二十世紀(jì)七十年代
上個(gè)世紀(jì)70年代，氧化鋁憑借低摩擦、潤(rùn)濕性、高耐磨性和生物相容性這些優(yōu)良性能，一直用來(lái)生產(chǎn)陶瓷-聚合物(CoP)和陶瓷-陶瓷(CoC)負(fù)載結(jié)構(gòu)的人工髖關(guān)節(jié)。這得益于氧化鋁的低摩擦性、潤(rùn)濕性、高耐磨性和生物相容性。
多年來(lái)，通過(guò)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(chǎn)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(jìn)一步改進(jìn)材料。
二十世紀(jì)八十年代
到了八十年代，部分穩(wěn)定狀態(tài)的氧化鋯(PSZ)因?yàn)槠涑錾臄嗔秧g性和高強(qiáng)度被引入骨科市場(chǎng)，用于阻止和偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展裂紋從而提高斷裂韌性的應(yīng)力誘導(dǎo)相變機(jī)制被證明難以控制。這導(dǎo)致植入物的體內(nèi)骨折率很高。
二十世紀(jì)九十年代
經(jīng)過(guò)幾十年的研究，最終在20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)了氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)，ZTA是一種氧化鋁基復(fù)合陶瓷，其中氧化鋁為主要和連續(xù)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(chǎng)。
熱等靜壓（HIP）
—氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)生產(chǎn)的最佳選擇
ZTA雖然屬性優(yōu)良，但是采用傳統(tǒng)的致密化技術(shù)生產(chǎn)的ZTA 仍然無(wú)法承受高應(yīng)力應(yīng)用中的磨損。無(wú)壓燒結(jié)產(chǎn)生的殘留氣孔和孔洞會(huì)變成裂紋源，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的強(qiáng)度和可靠性降低。而Quintus Technologies先進(jìn)的熱等靜壓技術(shù)就完美地解決了這些問(wèn)題，通過(guò)高溫高壓致密化處理減少孔洞和氣孔，直接提高了ZTA的強(qiáng)度和壽命，充分發(fā)揮材料設(shè)計(jì)的潛力。
Quintus Technologies先進(jìn)的HIP系統(tǒng)提高ZTA的生產(chǎn)率
配備均勻快速冷卻（URC?）的Quintus Technologies熱等靜壓設(shè)備可對(duì)氣孔和孔洞進(jìn)行必要的致密化，并且有可能將生產(chǎn)率最高提升100%。URC?是一種內(nèi)置的冷卻控制功能，利用HIP爐內(nèi)壓縮的高密度氣體的強(qiáng)制對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。
用于ZTA陶瓷的典型致密化循環(huán)，使用溫度 >1400°C，壓力 >1000bar。在傳統(tǒng)的HIP設(shè)備中，90公斤ZTA有效載荷的一個(gè)循環(huán)時(shí)間超過(guò)18小時(shí)。整個(gè)加工過(guò)程中超過(guò)一半的時(shí)間是用于熔爐的自然冷卻，冷卻時(shí)間并不產(chǎn)生效益。通過(guò)使用Quintus Technologies的URC?，熔爐可以在1小時(shí)內(nèi)從1500C降至300C（-20K/min），而傳統(tǒng)的熔爐則需要大約10小時(shí)，因此采用Quintus Technologies的URC?的熱等靜壓系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)ZTA的性能最大化，還可以將生產(chǎn)率提高一倍以上。
無(wú)快冷和帶有快冷的循環(huán)
使用均勻快速冷卻(URC?)加速HIP循環(huán)
ZTA髖杯在強(qiáng)制冷卻過(guò)程中的熱彈性應(yīng)力
由于強(qiáng)制冷卻會(huì)增加產(chǎn)品表面的熱拉伸應(yīng)變，因此必須通過(guò)計(jì)算來(lái)控制冷卻速率以確保熱彈性應(yīng)力不會(huì)超過(guò)產(chǎn)品的最終斷裂應(yīng)力和PSZ島相變的觸發(fā)應(yīng)力。
為了估算快速冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，Quintus Technologies的工程師使用了一組商用ZTA材料數(shù)據(jù)，并使用了各種形狀和尺寸的髖杯（例如，壁厚12毫米）進(jìn)行計(jì)算， 發(fā)現(xiàn)使用氣體對(duì)流以 20K/min冷卻的熱沖擊將明顯小于熱傳導(dǎo)系數(shù)<1000 W/(m2K)時(shí)的無(wú)限冷卻熱沖擊，可以通過(guò)以下公式計(jì)算產(chǎn)生的應(yīng)力：
σth-el = ΔTα E β / (1-ν)
公式1 – 氣體對(duì)流冷卻下的熱彈性應(yīng)力
? σth-el 熱彈性應(yīng)力 [MPa]
? ΔT 材料中與冷卻速率相關(guān)的溫度梯度
? ν 泊松比
? E 彈性模量 [MPa]
? α 熱膨脹系數(shù) [1/K]
? β 畢奧數(shù)
其中 β = r h / λ
公式 2 – 畢奧數(shù)
? r 組件最厚截面的半徑i [m]
? h 冷卻速率相關(guān)的傳熱系數(shù) [W/(m2 K)]
? λ 材料的熱導(dǎo)率 [W/(mK)]
由于冷卻是在等靜壓應(yīng)力下進(jìn)行，實(shí)際HIP壓力將抵消主要熱彈性拉應(yīng)力:
σtot cooling = σth-el (tension) + σIso (compression)
公式 3 – 冷卻過(guò)程中在熱等靜壓組件中產(chǎn)生的主要應(yīng)力
使用Quintus Technologies內(nèi)部研究發(fā)現(xiàn)的ΔT和傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)，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(yīng)力下，并遠(yuǎn)低于其最終斷裂強(qiáng)度。與接近無(wú)限傳熱系數(shù)的熱沖擊暴露相反，例如油淬或水淬，URC?段中溫和的氣體對(duì)流冷卻將顯著降低熱彈性應(yīng)力。
在研究強(qiáng)制冷卻期間PSZ島自發(fā)相變的概率時(shí)，X.Wang4發(fā)現(xiàn)四方到單斜相變的觸發(fā)應(yīng)力約為300MPa。由此可以得出結(jié)論，在URC?冷卻過(guò)程中ZTA髖杯中出現(xiàn)的熱彈性應(yīng)力將遠(yuǎn)低于相變的觸發(fā)應(yīng)力。
Quintus科技先進(jìn)技術(shù)與ZTA的完美結(jié)合
ZTA結(jié)合了氧化鋁的硬度和耐磨性，同時(shí)氧化鋯提高了斷裂韌性和強(qiáng)度，成為當(dāng)今CoC關(guān)節(jié)置換的基準(zhǔn)材料。為了充分發(fā)揮材料體系的潛力，對(duì)氣孔和孔洞進(jìn)行HIP致密化是最佳做法，也是確保ZTA的高韌性和斷裂強(qiáng)度所必需的。采用Quintus Technologies的熱等靜壓系統(tǒng)和URC?爐的快速冷卻功能，可以在顯著提升生產(chǎn)率的同時(shí)確保產(chǎn)品的完整性和可靠性。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（Quintus Technologies）：先進(jìn)的熱等靜壓技術(shù)（HIP）提高醫(yī)療陶瓷生產(chǎn)率