生物醫(yī)用陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化、抗磨損、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)異的性能是一般常用金屬材料、高分子材料等所不具備的，因此越來越受到人們的重視。但由于陶瓷材料脆性大、韌性差等弱點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料，尤其是承重部位使用時缺乏可靠性。因而改善陶瓷材料的脆性已成為生物醫(yī)用陶瓷材料領(lǐng)域亟待解決的問題。對生物醫(yī)用陶瓷而言，主要的力學(xué)性能表征參數(shù)包括彈性模量、硬度、抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性等。下面對這些力學(xué)性能作簡要介紹。陶瓷材料在室溫靜拉伸載荷下，斷裂前會經(jīng)過彈性變形階段，但在極微小應(yīng)變的彈性變形后立即出現(xiàn)脆性斷裂，延伸率和斷面收縮率幾乎為零。陶瓷材料的彈性變形服從胡克定律：式中，σ為應(yīng)力；ξ為應(yīng)變；E為彈性模量，是材料原子間結(jié)合力的反映。以共價鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強(qiáng)，E都較大。并且陶瓷為多元化合物，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，晶格常數(shù)較金屬晶體大。因此，陶瓷材料的彈性模量比金屬要大得多。陶瓷材料彈性模量大是由共價鍵和離子鍵的鍵合結(jié)構(gòu)決定的。共價鍵具有方向性，使晶體具有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯運(yùn)動的阻力。陶瓷材料的彈性模量不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，還與其組成相種類、分布比例及氣孔率有關(guān)。溫度上升，陶瓷材料彈性模量降低，熔點(diǎn)增加，陶瓷材料彈性模量增加，而當(dāng)氣孔率較小時，彈性模量又隨氣孔率增加呈線性降低。強(qiáng)度是陶瓷材料最基本的力學(xué)性能，由于其在室溫下幾乎不能產(chǎn)生滑移或位錯運(yùn)動，因而破壞方式為脆性斷裂。陶瓷材料的強(qiáng)度主要包括彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度等。彎曲強(qiáng)度是評價陶瓷材料強(qiáng)度的主要指標(biāo)之一，分為三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，具體測試方法如圖1所示。圖1中，試樣長度LT≥36mm，跨距L=(30±0.5)mm，l=(10±0.5)mm加載壓頭半徑R1=2.0~5.0mm，R2=2.0~3.0mm，常用試樣截面尺寸為b*h=4mm*3mm。彎曲試驗(yàn)時，加載速率為0.5mm/min，得到最大斷裂載荷，再由彎曲強(qiáng)度計算公式得到彎曲強(qiáng)度。
圖1 彎曲強(qiáng)度測試方法示意圖及計算方式（a）三點(diǎn)彎曲；（b）四點(diǎn)彎曲對拉伸強(qiáng)度而言，陶瓷材料由于脆性大，在拉伸試驗(yàn)時易在夾持部位斷裂，加之夾具與試樣的軸心不一致產(chǎn)生附加彎矩，因而往往測不出真正的拉伸強(qiáng)度。另外，陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其拉伸強(qiáng)度，兩者相差10倍左右，因而陶瓷材料特別適用于制造承受壓縮載荷作用的零部件。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓縮試樣尺寸為直徑9.0mm±0.05mm，長度18mm±0.10mm，兩端面研磨成平面并互相平行。硬度是材料抵抗因局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征。由于結(jié)合鍵存在差異，陶瓷與金屬的硬度存在較大差異。陶瓷材料硬度更高，耐磨性也較好。常用硬度指標(biāo)包括維氏硬度（HV）和洛氏硬度（HR）。洛氏硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值的指標(biāo)，以0.002mm作為一個硬度單位。當(dāng)布氏硬度大于450或試樣過小時，改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59mm、3.18mm的硬質(zhì)合金球壓頭，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。維氏硬度是以120kgf以內(nèi)載荷和頂角136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用載荷值除以材料壓痕凹坑的表面積而得。其適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。此外，當(dāng)試驗(yàn)載荷為1.961～49.03N時，它適用于較薄工件或鍍層的硬度測定；當(dāng)試驗(yàn)載荷小于1.961N時，它適用于金屬箔、極薄表面層的硬度測定。斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，與裂紋大小、形狀以及外力大小無關(guān)。斷裂韌性是評價陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，計算公式如下：
式中，KIc為斷裂韌性；σf為臨界應(yīng)力，即材料的斷裂強(qiáng)度；Y為裂紋的幾何形狀因子；a為裂紋長度的一半。陶瓷材料與金屬材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度并不存在很大差異，但是反映材料裂紋擴(kuò)展抗力的斷裂韌性值卻差異很大，一般陶瓷材料比金屬材料低1～2個數(shù)量級。國內(nèi)外測定陶瓷材料斷裂韌性的方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常用的方法有單邊切口梁法、山形切口法、壓痕法、雙扭法等。單邊切口梁法如圖2所示。一般截面尺寸為w*b=5mm*5mm或5mm*2.5mm，切口深度a為試樣厚度w的1/10、1/4、1/2，三點(diǎn)彎曲跨距L=20~40mm，加載位移速率為0.05mm/min。
圖2 單邊切口梁法測定材料斷裂韌性的示意圖及計算公式b試樣寬度；w試樣厚度；F試樣斷裂時最大載荷；L三點(diǎn)彎曲的跨距；a切口深度壓痕法是用維氏或顯微硬度壓頭，壓入拋光的陶瓷試樣表面，在壓痕對角線延長方向出現(xiàn)四條裂紋，測定裂紋長度，根據(jù)載荷與裂紋長度的關(guān)系，求得KIc值。壓痕法的優(yōu)點(diǎn)在于測試方便，可以小試樣進(jìn)行多點(diǎn)韌度測試，但此法只對產(chǎn)生良好壓痕裂紋的材料才有效。由于裂紋的產(chǎn)生主要是殘余應(yīng)力的作用，而殘余應(yīng)力又起因于壓痕周圍塑性區(qū)與彈性基體不匹配。因此，這種方法不允許壓頭下部材料在加載過程中產(chǎn)生相變或體積致密化現(xiàn)象，同時壓痕表面也不能有碎裂現(xiàn)象。壓痕法常用于對材料韌度的相對評價，材料表面質(zhì)量、加載速率、載荷保持時間、卸載后的測量時間等因素均對裂紋長度有影響。
式中，E為楊氏模量；F為試樣斷裂時最大載荷：C為裂紋長度；Hv為顯微硬度。通常陶瓷材料都是用燒結(jié)的方法制造的，陶瓷材料的制備技術(shù)、氣孔、夾雜物、晶界及晶粒結(jié)構(gòu)均勻性等因素對其力學(xué)性能有顯著影響。因此，陶瓷材料的強(qiáng)度除取決于材料本身外，以上因素對其強(qiáng)度也有顯著影響，其中氣孔率和晶粒尺寸是最重要的影響因素。氣孔是絕大多數(shù)陶瓷的主要組織缺陷之一，氣孔的存在會明顯降低載荷作用的橫截面積。同時，氣孔也是引起應(yīng)力集中的地方。多孔陶瓷的強(qiáng)度隨氣孔率的增加呈指數(shù)規(guī)律下降，計算公式如下：式中，P為氣孔率；σ0為氣孔率為零時的強(qiáng)度；α為常數(shù)，值為4～7。因此，為了獲得高強(qiáng)度，應(yīng)制備接近理論密度的無氣孔材料。陶瓷材料的強(qiáng)度和晶粒尺寸的關(guān)系符合Hall-Petch關(guān)系式：式中，σs為無限大單晶的強(qiáng)度；k為系數(shù)；d為晶粒直徑。由上式可知，室溫斷裂強(qiáng)度（σb）隨晶粒尺寸的減小而增大，細(xì)晶粒有利于增強(qiáng)材料強(qiáng)度。需要注意的是，對燒結(jié)陶瓷而言，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其他組織參量都相同的試樣是非常困難的。此外，晶界相能起阻止裂紋過界擴(kuò)展并松弛裂紋尖端應(yīng)力場的作用。而晶界玻璃相的存在對強(qiáng)度是不利的，所以應(yīng)盡量減少晶界玻璃相的數(shù)量，并通過熱處理使其晶化。對單相多晶陶瓷材料而言，晶粒最好為形狀均勻的等軸晶粒，這樣承載時變形均勻而不易引起應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度得以提升。穩(wěn)定氧化鋯在常溫下的機(jī)械強(qiáng)度是所有陶瓷材料中最高的，其斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度約是氧化鋁陶瓷的2倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)陶瓷，見表1。因此，利用氧化鋯高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，采取氧化鋯與生物活性陶瓷復(fù)合燒結(jié)的方法可提高生物活性陶瓷種植體的強(qiáng)度。同時高斷裂韌性、高斷裂強(qiáng)度和低彈性模量的氧化鋯材料有利于減小植入物尺寸和實(shí)現(xiàn)低摩擦、磨損。此外，石墨烯作為材料中強(qiáng)度和硬度極高的晶體結(jié)構(gòu)之一。其拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa。因此，石墨烯常作為復(fù)合材料的添加相，用于開發(fā)高性能生物陶瓷。表1 生物惰性陶瓷的力學(xué)性能參數(shù)
幾種常見的生物活性陶瓷的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。生物活性陶瓷的力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于惰性陶瓷。與人體骨相比，HA、生物活性玻璃的斷裂韌性遠(yuǎn)低于皮質(zhì)骨，還需進(jìn)一步增強(qiáng)。而玻璃陶瓷的斷裂韌性稍高，約為皮質(zhì)骨斷裂韌性值的下限。表2 生物惰性陶瓷的力學(xué)性能參數(shù)
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