陶瓷具有良好的浸潤性、高的耐磨性、極高的硬度、良好的生物相容性，在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。氧化鋁和氧化鋯陶瓷自20世紀70年代和80年代開始分別替代金屬材料，應(yīng)用于全關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)和全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)。陶瓷材料在制造過程或者最終產(chǎn)品的表面加工中可能出現(xiàn)微小的氣孔、缺口和不均勻等缺陷。在承受載荷時，缺陷處的應(yīng)力集中會導致裂紋擴展，最終發(fā)生破碎。陶瓷可靠性的提高得益于原材料、制造工藝及產(chǎn)品設(shè)計等方面的進步。
以髖關(guān)節(jié)陶瓷球頭、陶瓷內(nèi)襯組件為例，陶瓷球頭需與配合使用的股骨部件進行破碎試驗、疲勞試驗、疲勞后破碎試驗、脫出試驗、扭矩試驗，陶瓷內(nèi)襯需與配合使用的髖臼杯、股骨部件進行破碎試驗、疲勞試驗、疲勞后破碎試驗、壓出試驗、扭矩試驗和撬出試驗。針對這類高端精密陶瓷的特殊要求，對制造工藝的要求也十分嚴格。
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1. 熱等靜壓技術(shù)介紹
熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP)技術(shù)是一種成形和燒結(jié)同時進行的新技術(shù)。其基本原理是以氣體作為壓力介質(zhì)，使粉末在加熱過程中經(jīng)受各向均衡的壓力，借助于高溫和高壓的共同作用來促進材料的致密化。
熱等靜壓工藝優(yōu)勢：
1）強度均勻
在熱等靜壓（HIP）過程中均勻施加壓力，可使材料在各個方向上都具有均勻的強度。通過 HIP 加工的材料強度均勻，有利于材料承受來自多個方向的應(yīng)力或應(yīng)變。此外，HIP 加工材料的均勻強度還能提高材料在各種應(yīng)用中的整體性能和可靠性。
2）改善機械性能
熱等靜壓工藝（HIP）的優(yōu)點之一是能改善材料的機械性能。這些性能包括延展性和強度，延展性是指材料在應(yīng)力作用下變形而不斷裂的能力，強度是指材料承受外力的能力。這些性能的提高可歸因于 HIP 能夠消除材料中的缺陷，如氣孔、空隙和裂縫，這些缺陷會削弱材料的整體結(jié)構(gòu)。
此外，在 HIP 過程中均勻施加壓力還能改善材料的整體微觀結(jié)構(gòu)，從而使材料更堅固、更具韌性。
這些機械性能的改善有利于材料承受應(yīng)力或應(yīng)變的各種應(yīng)用。
3）提高耐腐蝕性
熱等靜壓（HIP）可提高材料的耐腐蝕性，從而有助于延長材料的使用壽命。腐蝕是材料與周圍環(huán)境發(fā)生化學反應(yīng)而導致的降解，隨著時間的推移，會顯著降低材料的強度和性能。
通過 HIP 技術(shù)消除缺陷并改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，材料的抗腐蝕能力就會增強，并能在更長的時間內(nèi)承受環(huán)境的影響。這對于材料暴露在腐蝕性環(huán)境中的應(yīng)用尤為有利，例如航空航天或汽車行業(yè)。
4）成本效益高
熱等靜壓（HIP）是一種改善材料性能的經(jīng)濟有效的工藝。其中一個原因是，該工藝可生產(chǎn)出密度、強度和微觀結(jié)構(gòu)均得到改善的高質(zhì)量材料。這可以減少對昂貴的質(zhì)量保證測試的需求，因為通過 HIP 生產(chǎn)的材料通常比通過其他制造方法生產(chǎn)的材料質(zhì)量更高。
此外，通過 HIP 工藝加工的材料壽命更長，減少了頻繁更換材料的需要，也有助于降低成本。總之，HIP 的成本效益使其成為各行各業(yè)希望以經(jīng)濟有效的方式提高材料性能的一種有吸引力的選擇。
5）改善微觀結(jié)構(gòu)
熱等靜壓（HIP）可顯著改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。HIP 的優(yōu)點之一是能夠產(chǎn)生均勻的微觀結(jié)構(gòu)，即材料的結(jié)構(gòu)在整個過程中都是一致的。
這有利于提高材料的整體強度和性能。此外，HIP 還能產(chǎn)生細小、無偏析的晶粒，從而進一步提高材料的強度和延展性。
通過 HIP 加工的材料微觀結(jié)構(gòu)得到改善，有利于材料承受應(yīng)力或應(yīng)變的各種應(yīng)用。
HIP 能夠改善材料的微觀結(jié)構(gòu)是這種制造工藝的主要優(yōu)勢之一。
6）其他優(yōu)勢
除上述優(yōu)點外，熱等靜壓（HIP）還具有其他一些優(yōu)點：
提高表面光潔度：與其他工藝相比，熱等靜壓工藝能使材料的表面光潔度更平滑、更均勻。這對于材料表面光潔度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域非常有利，例如航空航天和汽車行業(yè)。
提高尺寸精度：HIP 可以幫助提高材料的尺寸精度，使其在形狀和尺寸上更加精確和一致。這在需要精確公差的應(yīng)用中非常重要。
2. HIP在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用
熱等靜壓（HIP）工藝是生產(chǎn)先進陶瓷的最佳工藝，通過將陶瓷材料置于高溫高壓氣體中，HIP 可確保最終產(chǎn)品達到全密度，即材料幾乎無空隙和氣孔的狀態(tài)。這種工藝不僅能消除內(nèi)部缺陷，還能最大限度地減少晶粒生長，這是保持材料結(jié)構(gòu)完整性和機械性能的關(guān)鍵因素。適用于要求全密度、 最小晶粒生長水平、極限強度和高可靠性的應(yīng)用。熱靜壓工藝生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷晶粒更細，尺寸更均勻。第三代BlOLOX?forte的制造工藝通過引入熱等靜壓（HIP）進行完全致密化而得到改進，氧化鋁晶粒尺寸小于2微米。
圖源賽瑯泰克
HIP 的優(yōu)點不僅僅是致密化。該工藝生產(chǎn)出的陶瓷具有極高的強度，因此非常可靠耐用。這在醫(yī)療植入物和航空航天部件等不允許出現(xiàn)故障的應(yīng)用中尤為重要。HIP 加工陶瓷的高可靠性歸功于整個材料應(yīng)力和應(yīng)變的均勻分布，從而降低了局部失效的可能性。此外，HIP 還能生產(chǎn)出硬度和透明度極高的陶瓷，這進一步拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。例如，透明陶瓷可用于高性能光學領(lǐng)域，包括激光增益介質(zhì)和抗劃傷窗口。這些特性的結(jié)合使 HIP 加工陶瓷成為要求高性能和長期可靠性的行業(yè)的首選。熱等靜壓在醫(yī)療領(lǐng)域可以應(yīng)用于植入物、假肢、手術(shù)工具。
4.熱等靜壓工藝 (HIP) 入門指南，Kintek Solution
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序號 |
暫定議題 |
演講嘉賓 |
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1 |
醫(yī)療CT用閃爍體陶瓷的研究進展 |
奕瑞新材料 研發(fā)總監(jiān)/聯(lián)合創(chuàng)始人 王偉博士 |
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2 |
陶瓷封裝在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用 |
合肥圣達 |
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3 |
精密陶瓷計量泵在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 |
楚天新材料 總經(jīng)理 鐘元龍 |
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4 |
陶瓷股骨頭及內(nèi)襯的國產(chǎn)替代 |
宸泰科技 總經(jīng)理 張琳 |
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5 |
精準調(diào)控納米陶瓷粉體制備技術(shù)開發(fā) |
上海大學 教授 施利毅 |
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6 |
人工關(guān)節(jié)骨科植入物研究進展 |
優(yōu)材京航 技術(shù)總工 仝建峰 |
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7 |
陶瓷人工髖關(guān)節(jié)研究進展 |
合肥瓷意醫(yī)療 |
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8 |
陶瓷材料在醫(yī)療器械上的應(yīng)用 |
擬邀請材料企業(yè)/高校研究所 |
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9 |
醫(yī)用超聲換能器制備與性能研究 |
擬邀請壓電陶瓷企業(yè)/醫(yī)療器械廠商/高校研究所 |
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10 |
牙科用納米級復合氧化鋯粉體的制備技術(shù) |
擬邀請材料企業(yè)/高校研究所 |
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11 |
氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）材料的研究及應(yīng)用 |
擬邀請材料企業(yè)/高校研究所 |
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12 |
高精密陶瓷注射成型在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用 |
擬邀請?zhí)沾杉庸て髽I(yè)/高校研究所 |
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13 |
醫(yī)用陶瓷加工工藝難點解析 |
擬邀請?zhí)沾杉庸て髽I(yè)/高校研究所 |
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14 |
生物陶瓷3D打印技術(shù)研究進展與趨勢 |
擬邀請3D打印企業(yè)/醫(yī)療機構(gòu)/高校研究所 |
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15 |
醫(yī)用超聲換能器制備與性能研究 |
擬邀請壓電陶瓷企業(yè)/醫(yī)療器械廠商/高校研究所 |
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