Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Kapitola 3 Keramika Autor: Aldo R. Boccaccini Imperial College London Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Kapitola 3 Keramika Autor: Aldo R. Boccaccini Imperial College London Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství."— Transkript prezentace:

1 Kapitola 3 Keramika Autor: Aldo R. Boccaccini Imperial College London Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství

2 Popsat atomovou strukturu, mikrostrukturu a vlastnosti keramiky a porozumět korelaci mezi zpracováním, mikrostrukturou a vlastnostmi keramiky. Cíl

3 Keramiku tvoří pevné anorganické sloučeniny s různou kombinací iontových i kovalentních vazeb. Krystalová struktura keramiky je složitější než u kovů. Keramika je: Tvrdá Křehká Nehořlavá Odolná proti korozi (i když...) Špatný vodič tepla a elektřiny Poměrně lehká (obecně lehčí než kovy) Keramika má: Vysoké body tání Dobrou odolnost vůči teplu (nedeformuje se, i když...) Dobrou chemickou stabilitu při vysokých teplotách (neoxiduje se, i když) Keramika

4 Pevné látky se odlišují od ostatních skupenských stavů (kapalin a plynů) :  Atomy ve struktuře materiálu jsou spolu drženy silnými meziatomovými silami Téměř všechny fyzikální vlastnosti pevných látek závisí na povaze a síle meziatomových vazeb. Známe tři typy of silných (primárních) meziatomových vazeb: Iontová Kovalentní Kovová KERAMIKA KOVY Pevný stav

5 IONTOVÁ VAZBA: Donory elektronů (atomy kovů) předávají jeden nebo více elektronů akceptorům elektronů (např. atomy nekovů). Donorské atomy (kovy) se stanou kladnými ionty (kationty) a akceptorské atomy (např. nekovy) se pak stanou anionty čili záporně nabitými ionty. Tyto opačné ionty jsou navzájen přitahovány velkou silou = vazba je silná (typický příklad je K + Cl - ).  Takto využité elektrony v iontové vazbě již nemohou sloužit dále jako přenašeče náboje  Pevné látky s iontovou vazbou jsou špatné vodiče elektr. proudu Meziatomové vazby

6 KOVALENTNÍ VAZBY: Zejména u těch prvků, které se přibližují hranici mezi kovy a nekovy (př. C, Si). Blízké elektronegativity – stejná tendence poskytovat i přijímat elektrony Sdílejí valenční electrony. Lokalizace valenčních elektronů přisuzuje těmto materiálům vlastnosti špatných vodičů Meziatomové vazby

7 KOVOVÉ VAZBY: Atomy jsou uspořádány do pravidelně se opakujících třírozměrných vzorů Valenční elektrony se pohybují mezi atomy jako „plyn“. Delokalizované vazby umožňují plastickou deformaci. Elektronový “plyn” přispívá chemické reaktivitě a vysoké elektrické a teplotní vodivosti kovových systémů. Meziatomové vazby Fig. 3.3

8 Slabé sekundární vazby Van der Waalsovy vazby Vodíkové vazby (můstky) Meziatomové vazby

9 Mikrostruktura: sestava krystalů či zrn (0.5 - ~500  m) Atomová struktura: 3-D seskupení atomů (toto uspořádání obvykle vytváří krystal) Atomová struktura a microstructure

10 Atoys či ionty jsou uspořádány v pravidelně se opakujících vzorech ve třech rozměrech Často jsou reprezentovány opakujícími se prvky či podútvary krystalu kterým říkáme elementární buňka (unit cells). To je nejmenší část krystalové struktury XRD!! Krystalová struktura

11 Plošně středěná kubická mříž (FCC)

12 Kubická prostorově středěná mřížka (BCC)

13 Šesterečná bazálně centrovaná (HCP) (close packed)

14 Časová závislost zpracování (a) Fázový diagram SiO 2 -MO skla/keramiky. (b) Časové profily zpracování (1) skla, (2) lité polykrystalické keramiky s velkými zrny, (4) keramika slinutá v pevném stavu; (5) polykrystalická sklokeramika, (6) polykrystalický povlak vytvořený z kapalné váze. From Introduction to Bioceramics, L.L. Hench, J. Wilson, Singapore, World Scientific, 1993.

15 Technologie tavení vs sol-gel pro přípravu skel Fig. 3.9 Technologický proces výroby skla metodou sol-gel ve srovnání s technologií tavení skla. From Introduction to Bioceramics, L.L. Hench, J. Wilson, Singapore, World Scientific, 1993.

16 SEM of a CERAMIC microstructure Mikrostruktura Scanning electron microscope (SEM)

17 Velikost zrna Tvar zrna Orientace zrna Hranice zrna Porozita Mikrotrhliny Vlastnosti keramiky jsou značně závislé na mikrostruktuře Zejména v keramice při srovnání s kovy Mikrostrukturální rysy

18 Agregát náhodně orientovaných krystalitů(malých diskrétních krystalů o průměru méně než 100 mm) těsně vázaných spolu do materiálu v pevném stavu. Hranice zrn Pórovitost Mikrostrukturální rysy

19 OXIDOVÁ KERAMIKA Silikáty (včetně anorganických skel a sklokeramiky) Al 2 O 3 ZrO 2 TiO 2 NEOXIDOVÁ KERAMIKA Karbidy Nitridy (Uhlík) Typy keramických materiálů

20 Zpracování  Nevyrábí se z taveniny (pro tyto účely...)  Obvykle sedělá slinováním prášků (sintering)  Variantou jsou různé depoziční techniky(např. CVD, EPD,....), zpracováním koloidů and sol-gel procesem Zpracování keramiky

21 (Jemný) keramický prášek Tvarování Lití břečky do forem Či lití pásku Lisování zastudena Slinování (sintering) (čili zhutnění za vysoké T) Žárové lisování Zhutnění simultánním působením teploty a tlaku Obrábění na konečný tvar/rozměry Výrobní vady: vnitřní a vnější mikrotrhliny, abnormální růst zrn, porozita VŠE OVLIVŇUJE KONEČNÉ VLASTNOSTI Prášková technologie a slinování

22 Skla se odlišují od polykrystalické keramiky jejich amorfní povahou nebo nebo chybějící vnitřní strukturou „dlouhého dosahu“. Sklo je produktem zchlazení taveniny a zachováním rigidních podmínek bez krystalizace. Anorganická skla

23 Následující oxidy tvoří ochotně skla: SiO 2, GeO 2, B 2 O 3, P 2 O 5 O Skla jsou favority v mnoha aplikacích kvůli jejich dobré dostupnosti, nízké ceně a snadné výrobě. Si-O čtyřstěn (tetrahedron) – atom Si - atom O Atomová struktura skla je podobná struktuře kapalin (jak je dokázáno např. XRD), tj.pravidelně se opakující uspořádání je vyskytují jen v krátkých segmentech. Fig Schematic representation of a random-network glassy structure. Atomová struktura skel

24 Sklokeramické materiály jsou krystalické a získávají se řízenou krystalizací původního amorfního skla. Řízená krystalizace vyžaduje: - specifické složení - obvykle dvoustupňové teplotní zpracování Sklokeramika má lepší termomechanické vlastnosti než skla Sklokeramika

25 Oční brýle Diagnostické přístroje Chemické sklo Teploměry, baňky na tkáňové kultury Nosiče pro enzymy apod. Restorativní materiály v zubní protetice Implantáty  BIOKERAMIKA: Opravy či náhrady kosterních tvrdých spojujících tkání BIOKERAMICKÉ MATERIÁLY SE DĚLÍ PODLE TYPU PŘIPOJENÍ KE TKÁNÍM: Téměř inertní krystalická keramika (např. Al 2 O 3, ZrO 2 ). (Zátěžové kyčelní protézy, zubní implantáty). Bioaktivní keramika, skla a sklokeramika (např. hydroxyapatit, Bioglass®, A- W- sklokeramika etc.). (Náhrady kůstek středního ucha,úpravy periodontálních (ozubice) defektů, chirurgie obratlů atd.). Resorbovatelné fosforečnany vápenaté. Lékařské aplikace keramiky a skel

26 Chování KŘEHKÉHO MATERIÁLU: Velmi nízká lomová houževnatost Stress Strain Elastic Region CERAMIC METAL Fracture strength Mechanické vlastnosti Fig. 3.19

27 PÓROVITOST HRANICE ZRN - „Sběrače“ nečistot - Skelná fáze!! - Koncentrátor napětí - Zdroj mikrotrhlin - Otevřená či uzavřená - Snížení Youngova modulu - Snížení pevnosti - Snížení tvrdosti - Snížení teplotní vodivosti Vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti

28 Dva efekty:  Redukce průřezu nesoucího zátěž  Koncentrace napětí  =  0 (1-P) K K = f (tvaru a orientace pórů)  [koncentrace napětí] Pevnost v lomu závisí na pórovitosti

29 Lomová pevnost porézní keramiky se specifickými póry

30 PRO NĚKERÉ APLIKACE VČETNĚ ŘADY BIOMEDICÍNSKÝCH POTŘEBUJEME PORÉZNÍ KERAMIKU ! Nezátěžové implantáty „Lešení“ pro tkáňové inženýrství apod. Kost vrůstá do sítě pórových kanálků blízko povrchu a udržuje její vaskularitu (cévní zásobení) a dlouhodobou životnost Bioaktivní sklopěna pro tkáňové inženýrství (Jones, Sepulveda and Hench, 2002) Porézní keramika a skla

31 Pórovitost je faktor, podle kterého můžeme modelovat Youngův modul skla nebo keramiky tak, aby se blížil hodnotě kosti Variace velikosti Youngova modulu u kortikální kosti Youngův modul keramiky a skel je mnohem vyšší než u kosti Pro implantační účely musí Youngův modul implantátu sedět s Y.M. kosti (je třeba se tedy vyhnout stress shielding čili nerovnoměrnému rozdělení napětí) Zvýšení pórovitosti vede ke snížení Youngova modulu implantátu Viv pórovitosti na mechanické vlastnosti

32 Atomová vazba určuje fyzikální vlastnosti materiálů. Keramika obsahuje iontovou a kovalentní vazby ve své struktuře. Keramika, skla a sklokeramika jsou pevné, tvrdé a křehké materiály Mikrostruktura: soubor zrn a fází v rozmězí (0.5 –500 mm)  Mikrostrukturní rysy: velikost zrn, tvar, orientace, hranice zrn, pórovitost, mikrotrhliny, nečistoty Mechanické vlastnosti keramiky jsou hodně závisléna mikrostrukturních rysech Zpracování keramiky ovlivňuje mikrostrukturu Silná závislost: Zpracování  Mikrostruktura  Vlastnosti Souhrn


Stáhnout ppt "Kapitola 3 Keramika Autor: Aldo R. Boccaccini Imperial College London Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství."

Podobné prezentace


Reklamy Google