Polikrystaliczne tworzywa hydroksyapatytowe wzmacniane wtrąceniami dwutlenku cyrkonu

• Autorzy: Pyda W. , Ślósarczyk A. , Paszkiewicz Z. , Rapacz-Kmita A. , Haberko M. , Pyda A.

Warianty tytułu

EN

Polycrystalline hydroxyapatite materials reinforced with zirconia inclusions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ceramikę hydroksyapatytową wzmocnioną wtrąceniami roztworu stałego CaO w ZrO2 o symetrii tetragonalnej wytworzono drogą prasowania na gorąco mieszaniny nanometrycznych proszków HAp i czystego ZrO2 o symetrii głównie jedno-skośnej. Wprowadzenie T 1,9% obj. wtrąceń ZrO2 nie przeszkodziło w otrzymaniu tworzyw o gęstości przekraczającej 99% gęstości teoretycznej podczas spiekania przez 0,5 godz. w temperaturze 1250°C pod ciśnieniem 25 MPa. Obecność wtrąceń zahamowała istotnie rozrost ziaren osnowy HAp oraz spowodowała wzrost wytrzymałości na zginanie o 80%, tzn. do poziomu 180 MPa. W pracy scharakteryzowano właściwości wyjściowych proszków oraz spieczonych tworzyw, a w szczególności wpływ temperatury spiekania na zagęszczenie, skład fazowy i właściwości mechaniczne kompozytów. Przeprowadzono dyskusje przyczyn wzmocnienia oraz braku negatywnych oznak rozkładu HAp w podwyższonych temperaturach w obecności ZrO2.

EN

Hydroxyapalite ceramics containing dispersed particles of CaO-ZrO2 solid solution of tetragonal symmetry were prepared by hot-pressing a mixture of nanometric in size powders of hydroxyapatite (HAp) and pure zirconia. The zirconia and HAp powders were composed of isometric, agglomerated crystallites of -25 nm and ~80 nm in size, respectively (Fig. I). The former showed the specific surface area of 42.2+-0.2 m2/g and the latter of 22.9š0.1 m2/g. The zirconia powder was com­posed of 68.2% of crystallites of monoclinic symmetry and the rest of monoclinic one. The composite powder had the specific surface area of 27.3š0.2 m2/g and the morphology imposed by the component powders. The incorporation of zirconia particles into the HAp powder decreased siuterabilitv of the resultant composite powder when compared to the one of pure matrix as is shown in Fig. 2. The pure HAp sintered at temperatures higher than 1150 C showed decreased densities, probably as a consequence of the initiation of HAp decomposition. The increased porosity was responsible for decreasing the modulus of elasticity and bending strength of the HAp materials with the sintering temperature (Fig. 3 and 5). The best densification (>99% theor. dens.) of the composite powder was achieved at 1250°C. X-ray diffraction analysis revealed increased amounts of tetragonal and decreased amounts of monoclinic zirconia with the sintering temperature (Fig. 4). This was a result of the solid solution formation of CaO in ZrO2. Calda could originate from decomposed HAp. Since HAp can maintain an appatite structure even if the Ca content is well below its stoiclliometrie value, the decomposition product TCP will only be formed when a critical amount of Ca is being transferred to the ZrO2 particles. The stabilization of tetragonal zirconia at 1250°C requires 5.0 mole % CaO. In this conditions, the reduction of molar ratio Ca/P from 1.667 (stoichiometric HAp) to 1.649 is expected for the stabilization of 11.9 vol % ZrO2 particles introduced to the system. That is why evidences of HAp decomposition in the X-ray diffraction patterns are not observed (Fig. 4). Some excess of Ca introduced to the starting HAp powder was also conductive to this. The incorporation of zirconia particles into the HAp matrix inhibited greatly grain growth when compared to the pure HAp (Fig. 7). The zirconia inclusions received form of polycrystalline aggregates of crystallites of -0.06 um in size. Both transformation toughening and particle dispersion effects contributed to strengthening of the HApi+ZrO2 composites (Fig. 5). The former mechanism was especially effective in the composites with large amounts of the abstract tetragonal phase (Fig. 6; b= 180š17 MPa).

Słowa kluczowe

PL

ceramika hydroksyapatytowa; tworzywo hydroksyapatytowe; dwutlenek cyrkonu

EN

polycrystalline hydroxyapatite material; zirconia

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2001
• Tom: R. 1, nr 2
• Strony: 133--136
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., wykr., rys.

Twórcy

autor

Pyda W.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Ślósarczyk A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Paszkiewicz Z.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rapacz-Kmita A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Haberko M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pyda A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Ioku K., Yoshimura M., Somiya S., Microstructure and mechanical properties of hydroxyapatite ceramics with zirconia dispersion prepared by post-sintering, Biomaterials 1990, 11, 1, 57-61.
• [2] Takagi M., Mochida M., Uchida N., Saito K., Uematsu K., Filter cake forming and hot pressing for TZP-dispersed hydroxyapatite composite, J. Mater. Sci.: Mater. Med. 1992, 3, 199-203.
• [3] Silva V.V., Domingues R.Z., Hydroxyapatite-zirconia composites prepared by precipitation method, J. Mater. Sci.: Mater. Med. 1997, 8, 907-910.
• [4] Ślósarczyk A., Stobierska E., Paszkiewicz Z., Gawlicki M., Calcium phosphate materials prepared from precipitates with various calcium:phosphorus molar ratios, J. Am. Ceram. Soc. 1996, 79, 10, 2539-2544.
• [5] Ravichandran K.S., Elastic properties of two-phase composites, J. Am. Ceram. Soc. 1994, 77, 5, 1178-1184.
• [6] Kountouros P., Petzow G., Defect chemistry, phase stability and properties of zirconia polycrystals, Science and Technology of Zirconia V, red. S.P.S. Badwal, M.J. Bannister, R.H.J. Hannink, Technomic Publ. Co., Lancaster-Basel 1993, 30-48.
• [7] Rheimann R.B., Vu T.A., Effect of CaO on thermal decomposition during sintering of composite hydroxyapatite-zirconia mixtures for monolithic bioceramic implants, J. Mater. Sci. Let. 1997, 16, 437-439.