Низкотемпературная керамика на основе диоксида циркония

Одним из важнейших направлений современной медицины в области травматологии и ортопедии является создание и внедрение в клиническую практику имплантатов нового поколения. Исследования в указанном направлении обусловлены постоянным ужесточением требований, предъявляемых к медицинским материалам, из которых изготавливаются имплантаты. Имплантаты для восстановления опорно-двигательного аппарата, поврежденного вследствие травм и болезней, должны обладать комплексом свойств: материалы для них должны быть биосовместимыми, иметь низкую биорезорбцию и высокую прочность. Лидерами в настоящее время являются титановые или керамические биоинертные имплантаты, например, корундовые или диоксид циркониевые. Керамика на основе частично стабилизированного диоксида циркония – широко применяемый материал для изготовления конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации значительное механическое воздействие. Высокие прочностные характеристики и вязкость разрушения, обеспеченные трансформационным упрочнением в ZrO2 [1, 2], а также химическая инертность диоксида циркония позволяет эксплуатировать его в химически активных средах, включая биологическую среду организма человека.

Рисунок 1 – Микроструктура керамического образца, спеченного до плотного состояния при температуре 1150°С. Размер кристаллов около 100 нм

В данной работе представлены результаты исследования получения новых высокопрочных материалов на основе диоксида циркония. Для достижения поставленной цели в работе решались задачи синтеза нанодисперсных высокоактивных к спеканию порошков. В результате применения термического старения и метода механоактивации была увеличена дисперсность порошков и повышена их активность к спеканию. В работе проводились исследования по изучению влияния стабилизирующих добавок на рост кристаллов и фазовый состав. Показано, что наиболее прочные образцы получали при температурах 1500–1550°С при содержании стабилизирующей добавки 2 мол.%. Были проведены исследования по получению низкотемпературной керамики. Для этого применяли добавку на основе силиката натрия, что позволило значительно снизить температуру спекания на 350–400°С и получить однородную структуру с размером кристаллов около 100 нм.

Проводились исследования по определению энергии активации спекания в зависимости от содержания количества стабилизирующей добавки и времени помола синтезированных порошков (механоактивации). В результате исследований были оптимизированы составы и режимы спекания, что позволило получить керамические образцы с высокой прочностью и мелкокристаллической структурой.

Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, Грант No. 14-08-00575а.