掺杂氧化锆陶瓷制造技术

本发明专利技术提供了平均粒径为约１９０ｎｍ或更低并且由四方氧化锆晶相组成的掺杂氧化锆陶瓷作为湿热稳定性材料的用途或者在要求使用湿热稳定性材料的应用中的用途。本发明专利技术还提供了平均粒径为约１９０ｎｍ或更低并且由四方氧化锆组成的掺杂氧化锆陶瓷，其在温度高达约２４５℃、压力高达７巴的高压灭菌器的湿气中老化持续达５０４小时的过程中不经历由四方晶至单斜晶的可检测的转化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】掺杂氧化锆陶瓷本专利技术涉及掺杂氧化锆(ZrO2)陶瓷，其具有纳米结构并且可以为全致密的或者可以具有周密控制的多孔性。为了控制晶体相变，常规的氧化锆陶瓷掺杂有诸如氧化钇的添加物。在室温下，纯的氧化锆以单斜晶型存在。在高温下，通常高于1100°C，其转化为四方晶型。这种转化伴随有可引起材料溃解的4%至5%的体积变化。掺杂物的存在稳定了高温晶型，防止在冷却时发生破坏性转化。高温晶型的部分稳定化可以产生一些优良的机械性质。使用不同类型和水平的添加物以产生适合不同应用的氧化锆陶瓷。例如，掺杂有氧化钇的氧化锆通常被称为氧化钇稳定的氧化锆或YSZ。通常在前面具有数字以表示IO3的含量。例如，3YSZ表示掺杂有氧化钇的氧化锆包含3mol %的氧化钇。常规的基于氧化锆的陶瓷在室温或体温附近或在高于室温或体温下在潮湿环境中并不十分稳定，在150至300°C的温度下的降解过程最强。在有水时，有利的四方晶相转换为不利的单斜晶相，从而丧失了作为四方晶相的有益的机械性质。已知在蒸汽存在下，常规的3YSZ陶瓷在140°C (工业标准测试温度)持续半小时之短的时间就出现了转化的第一指征。在仅数小时后，这种转化显著降低了机械性能。这种转化阻碍了这些常规陶瓷在诸如外科器材中的应用(原因是需要对其进行重复灭菌，该灭菌通常包括在蒸汽环境中加热至> 10(TC )，或者阻碍其用于多种工业应用(例如若非如此，所述陶瓷可能用作石油、石化和发电业中的阀或泵部件)，或者阻碍其用于有水环境下的催化剂载体。它还阻碍了陶瓷在诸如人和动物的人造置换关节的较低温度环境下的应用，原因是这些装置在植入前需要灭菌，并且虽然其需要较长时间(数年)才发生降解，但此类置换则需要10至20年或更长的寿命。纳米结构化材料在近年受到很多关注。这主要是因为该材料由于存在于晶界内的原子部分非常高而具有意外且非同寻常的物理和机械性质的潜能。注意在本说明书中对明显在先已经公开的文献的罗列或讨论不应必然地被认为是承认该文献是现有技术的一部分或者是公知常识。本专利技术提供了平均粒径为约190nm或更小且由四方晶相组成的掺杂氧化锆陶瓷以及此类陶瓷作为湿热稳定性材料的用途。“由四方晶相组成”表示所述陶瓷不含任何可检测量的单斜晶相或立方晶相。本专利技术使用的掺杂氧化锆陶瓷能够长期(数周)耐受其晶相的变化，甚至在高温 (至少达245°C )和高压(至少达7巴)且有湿气的情况下也是如此，并因此甚至在处于这些条件下时也能保持其机械性质。如本文所使用的，专利技术人将湿热稳定性材料定义为当在温度为245°C、压力达7巴下持续504小时时其晶相不经历任何可检测的转化(利用通常可使用的技术，例如X-射线衍射法或者微拉曼光谱法测定的)的材料。本专利技术使用的陶瓷是纳米结构化的基于氧化锆的陶瓷，当与常规的基于氧化锆的材料相比，其在上文所定义的潮湿环境下具有增强的稳定性。这些陶瓷可用在湿热稳定性是有益的和/或必须的应用中。本专利技术使用的陶瓷包含掺杂氧化锆。合适的掺杂物包括但不限于氧化钇、氧化镁和二氧化铈及它们的混合物。在下文中，将参考基于掺杂有氧化钇的氧化锆的陶瓷对本专利技术进行例示。然而，应该理解，本专利技术的范围并不限于这些材料。本文使用的掺杂氧化锆陶瓷的平均粒径为190nm或更低。可以通过本领域已知的任何合适的方法测定陶瓷的平均粒径。例如，可以通过利用电子显微镜的直接测量法或者通过诸如X-射线衍射线宽化的间接测量法(虽然后一种方法可能准确性较低)测定平均粒径。本专利技术的氧化钇稳定化陶瓷可以被2. 5mol%或更高的氧化钇稳定。氧化钇添加物的上限并不受具体限制。通常氧化钇含量的上限为约8m0l%，或者其可以为约6m0l% 或4mol %。例如，本专利技术的陶瓷可以包含约2. 5mol %至约8mol %的氧化钇，或者约3mol % 至约8mol%的氧化钇。在一些应用中，优选包含约3mol%氧化钇，例如约2. 5mol%至约 4mol%氧化钇的陶瓷。本专利技术的陶瓷的平均粒径小于约190nm，更优选小于约180nm。平均粒径的下限值并不受具体限制。平均粒径的下限值通常为约lOnm;或者其可以为约20nm或30nm。优选地，本专利技术的陶瓷的平均粒径为约150nm至约50nm或者约IOOnm或更低。平均粒径的范围的实例包括约IOOnm至约150nm或者约180nm或者约190nm，或者从约50nm或者约60nm至约 80nm。应该注意到，总是有粒径的分布。为此，本申请中所指的粒径为“平均粒径”。例如，当平均粒径为65nm时，粒径的分布可以如图1所示。本专利技术使用的陶瓷可以基本由氧化锆和掺杂物组成，例如，其可以基本由通过上文列出的掺杂物(例如氧化钇)而稳定的掺杂氧化锆组成。也可以存在有限量，通常为 0. 5wt%或更低的其它杂质或添加物。本专利技术使用的陶瓷可以由氧化锆和掺杂物组成，例如，其可以由通过数量为上文所述的上文所列掺杂物(例如氧化钇)而稳定的氧化锆组成。本专利技术使用的陶瓷完全由四方晶相组成，其表示在目前的检测方法的限制内，所使用的陶瓷为纯的四方晶相。可以测定陶瓷晶体结构的方法包括X-射线衍射法和微拉曼光谱法，两者目前均具有约士2%的检测限。因此，本专利技术使用的陶瓷由至少98%并且高达 100%的四方晶相组成。本专利技术使用的陶瓷的强度可达约lGPa。当使陶瓷经受上文描述的湿热条件时，所述陶瓷的强度没有显著的变化。与诸如常规氧化钇稳定化氧化锆的常规掺杂氧化锆陶瓷相比，本专利技术使用的陶瓷在潮湿环境中要稳定得多。潮湿环境可定义为陶瓷与水或蒸汽接触的环境。此类环境包括相对湿度为约20% 或更高，例如约40 %或更高、或者50 %或更高、或者60 %或更高和高达100 % (饱和湿度)， 温度高于0°C和高达至少245°C的环境。可以认为本专利技术使用的陶瓷比常规的微米粒化材料的湿热稳定性更高。例如，本专利技术的平均粒径为约80nm的3YSZ陶瓷可以在至少245°C下在有蒸汽时耐受至少3周(约 504小时)，而相变(S卩，四方晶相至单斜晶相的转变)指征为零(在目前使用的诸如X-射线衍射或微拉曼光谱法的检测限内)。这表示，当使本专利技术的陶瓷经历这些条件时，其机械性质并不改变。已知在蒸汽存在下，常规的3YSZ陶瓷在140°C (工业标准测试温度)持续半小时之短后开始显示转化的第一指征。这一性质可单独在多个行业引起变革，从石化业 (阀和泵部件)、催化剂载体以至生物医学应用(外科器材乃至移植物或人造的身体部件)。本专利技术使用的纳米结构化掺杂氧化锆陶瓷适合用在其中使用的材料在潮湿环境中不降解是至关重要的的多种应用中。例如，本专利技术的陶瓷可以用在泵和阀部件(尤其是在高温和/或高压的潮湿环境中使用的泵和阀部件)中、催化剂载体、外科用具和生物医学应用(例如股骨头和其它人造的身体部件)。当然也具有许多其它可能的用途。下表列出了适合多种应用的材料的一些最重要的性质。应用所需要的性质泵和阀部件这可能包括致密陶瓷衬垫(liner)或其它材料上的涂层的用途湿热稳定性(即在有水环境下在高达 250X下持续数周或数月而没有转化)+耐腐蚀+高强度催化剂载体这可能包括由高度多孔的陶瓷制备的成型部件的用途高强度+高表面积/多孔性+湿热稳定性(即在有水环境下在高达250°C下持续数周或数月而没有转化)股本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．平均粒径为约１９０ｎｍ或更低并且由四方氧化锆晶相组成的掺杂氧化锆陶瓷作为湿热稳定性材料的用途或者在要求使用湿热稳定性材料的应用中的用途。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·宾纳，
申请(专利权)人：拉夫伯勒大学，
类型：发明
国别省市：GB