CO2 Laser Co가 준비한 하이브리드 나노입자로 제작된 새로운 ZrO2/Al2O3 나노복합체

Dec 11, 2023

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20589(2016) 이 기사 인용

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알루미나 강화 지르코니아(ATZ)와 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)는 현재 의료 기기용 견고하고 강하며 생체 비활성인 세라믹에 대한 요구를 충족하기 위해 선택되는 재료입니다. 그러나 ZrO2/Al2O3 분산 세라믹의 기계적 특성은 해당 입자 크기를 줄이고 상 분산의 균질성을 향상시킴으로써 상당히 증가할 수 있습니다. 여기에서는 레이저 공기화 지르코니아와 알루미나 원료 분말의 동시 기상 축합을 통해 Zr(1−x)AlxO(2−x/2) 및 (γ-, δ-)Al2O3의 입자 내 상 분포를 갖는 나노입자를 제조합니다. . 후속 스파크 플라즈마 소결 동안 지르코니아 결함 구조와 전이 알루미나 상은 정방정 ZrO2(52.4 vol%) 및 α-Al2O3(47.6 vol%)의 균일하게 분포된 분산으로 변환됩니다. 스파크 플라즈마 소결로 소결된 세라믹은 평균 입자 크기가 약 250nm 범위로 완전히 밀도가 높습니다. 뛰어난 기계적 특성(굴곡 강도 σf = 1500MPa, 파괴 인성 KIc = 6.8MPa·m1/2)과 저온 분해에 대한 높은 저항성으로 인해 이러한 재료는 고관절 전치환술 및 치과 임플란트용 차세대 바이오세라믹에 대한 유망한 후보가 되었습니다.

산화물 세라믹 α-알루미나(α-Al2O3)와 정방정 지르코니아(t-ZrO2)의 복합재는 뛰어난 내식성, 높은 전기 저항성, 우수한 생체 적합성, 낮은 마찰, 높은 마모의 조합으로 인해 수많은 기술 및 생물 의학 응용 분야에 사용됩니다. 저항 및 고강도1. 특히 치과 임플란트 및 전체 관절 보철물과 같은 생의학 응용 분야의 경우 뛰어난 기계적 특성을 지닌 신뢰성이 높은 생체 재료가 필요한 경우 이들의 조합이 선택되는 재료입니다2.

소위 알루미나 강화 지르코니아(ATZ)와 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)에 두 재료를 분산시키는 것은 t-ZrO2의 높은 강도 및 인성과 α-Al2O31,2의 탁월한 마찰 특성 및 노화 저항성을 결합하는 것을 목표로 합니다. 그 외에도 소량의 알루미나는 정방정계 ZrO2 매트릭스 상3을 안정화하고 제너 피닝4에 의한 입자 성장을 억제하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 문헌에 기술된 ZrO2/Al2O3 분산 세라믹의 기계적 특성은 상 분포의 비율과 균질성, 입자 크기와 다공성, 가공 및 소결에 크게 좌우되기 때문에 엄청난 양의 차이가 있습니다. 조건 1,2,5,6,7,8. 예시적으로, 문헌에 기술된 최신 ZrO2/Al2O3 분산 세라믹의 굴곡 강도 σf 및 파괴 인성 KIc는 76 질량% Al2O3(평균 입자 크기 d50 = 730)로 구성된 ZTA 세라믹7의 경우 최대 1288 MPa 및 6.2 MPa m1/2에 도달합니다. nm) 및 24 질량% ZrO2(d50 = 330nm), 각각 80질량% ZrO2 및 20질량% Al2O3로 구성된 ATZ 세라믹2의 경우 1166MPa 및 7.4MPa m1/2이며 두 구성 요소 모두 d50 값이 약 400nm입니다. ZrO2/Al2O3 복합체의 기계적 특성은 해당 입자 크기를 줄이고 상 분산의 균질성을 향상시킴으로써 상당히 증가할 수 있는 것으로 알려져 있습니다9. 또한 이러한 요소는 열수 조건에서 중요합니다. ZTA 세라믹에서는 습한 환경과 20°C ~ 300°C 온도 범위에서 정방정계에서 단사정계 ZrO2 입자로의 자발적인 변형, 즉 저온 분해(LTD)가 입자 크기가 임계값 미만인 경우 더 쉽게 발생합니다( 500nm)10. 또한, 좁은 크기 분포와 농도 및 분리(즉, 응집체가 없음)는 조기 변형을 초래할 수 있는 입계 수분 확산을 억제하는 데 중요합니다10. ATZ의 경우 Al2O3 입자의 분산 및 크기 분포는 t-ZrO211의 비율이 높기 때문에 LTD 거동에 훨씬 더 중요합니다. 이러한 목적을 위해 원료의 서로 다른 부분을 혼합하는 대신 입자 내 상 분산을 갖는 ZrO2/Al2O3 나노입자가 바람직할 수 있습니다.