Transcript 1001207廖文翎
Ceramic Materials 材料科學與工程 製 程 結 構 性 質 性 能 結構：內部成份與排列 性質：機械、電性、熱性質、磁性、光學性質 和劣化(材料的化學反應) Speaker:廖文翎 Adviser : Hsien-Chang Chang 2011/12/07 1 Classification of Materials Materials Metal Metallic elements Non metal Alloy Engineering materials Composites Semiconductors Biomaterials Ceramics Organic Inorganic Polymer Ceramic Nonmetal inorganics 2 Classification of Ceramic Materials 1. 陶瓷器(ceramic whiteware) • 陶器(earthenware): 不熔化、有顏色、多孔性 • 瓷器(porcelain): 坯體熔化、白色、緻密不透水 • Stoneware: 坯體熔化或是部分熔化、不透水、有色不透光、有施釉 2. 玻璃(glass): 非晶質固體一種 3. 水泥(cement): 含有機質、無機質的接著結合材料 4. 耐火材料(refractory materials): 高溫中難軟化或熔融的非金屬無機 材料 5. 精密陶瓷(Fine/Advanced ceramics): 應用於高科技 3 Classification of Ceramic Materials • 傳統陶瓷 使用天然原料、利用黏土可塑性的成型法、 含有玻璃融體的燒結法 • 精密陶瓷 使用高純度原料、精密調整的化學組成、 控制嚴密的製造過程(沒有可塑性) 4 5 精密陶瓷與傳統陶瓷之差異 種類 原料 來源 粉體 成品 傳統陶瓷 人工原料、合成原料(氧化物、天然原料(黏土、燧石、 氮化物、碳化學等) 長石等) 高純度、超微粒 無特別要求 一般陶瓷成形外，尚有射出成 旋盤、鑄漿、乾壓、機 形、刮刀成形、均壓成形等 械加工等一般成形 成形 燒結 精密陶瓷 驅動力 物理性 + 化學性 化學性 方式 高溫燒成爐、熱壓、熱均壓等 升焰窯、燒成窯 顯微結構 純多晶態之均勻相 多晶態與非晶態之不均 勻相 製品 附加價值 精密電子陶瓷元件、熱裝置與 日用陶瓷、藝術陶瓷、 機械零件、生醫陶瓷等 耐火磚、水泥、玻璃等 高 低 6 Crystal Structure Crystal: it is defined as an orderly array of atoms in space. LRO: long range order SRO: short range order Unit cell (u.c.) Corner:1/8 Face: 1/2 Edge: 1/4 Interior: 1 7 Summary of Metallic Crystal Structures Simple cubic (SC) Face-Centered Cubic (FCC) Body-Centered Cubic (BCC) Hexagonal Close-Packed (HCP) 8 Metallic Crystal Structures Simple cubic (SC) Atomic packing factor (APF) = 52% Coordination number (CN) = 6 1/8 x 8 = 1 atom/u.c. 9 Face-Centered Cubic (FCC) Atomic packing factor (APF) = 74% Coordination number (CN) = 12 1/8 x 8 + 1/2 x 6 = 4 atoms/u.c. 10 Body-Centered Cubic (BCC) Atomic packing factor (APF) = 68% Coordination number (CN) = 8 1/8 x 8 + 1 x 1 = 2 atoms/u.c. 11 Hexagonal Close-Packed (HCP) Atomic packing factor (APF) = 74% Coordination number (CN) = 12 1/3 x 12 + 1/2 x 2 + 1 x 3 = 8 atoms/u.c. 12 穩定與不穩定陰－陽離子配位結構 13 不同陰離子－陽離子半徑比(rC/rA)之配位數與幾何 形狀 14 Summary of Ceramic Structures 氯化鈉/岩鹽結構(NaCl /Rock salt) 氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride) 閃鋅礦結構(ZnS, Zinc blende structure) 螢石結構(CaF2, Fluorite structure) 鈣鈦礦結構(Perovskite structure) 15 氯化鈉/岩鹽結構(NaCl /Rock salt) • 具有相同的陰離子和陽離 子數之陶瓷材料皆屬此類。 • 陽離子與陰離子的配數皆 為6，陰陽離子半徑比介 於0.414 和0.732 之間。 • 常見的岩鹽結構：NaCl、 MgO、MnS、LiF、FeO。 16 氯化鈉/岩鹽結構(NaCl /Rock salt) Cl Na Z=1 T T T T Z = 3/4 Z = 1/2 T T FCC + all octahedral sites Z = 1/4 T Z=0 T 8 tet. sites/u.c. 1x8=8 4 oct. sites/u.c. 1 x 1 + 12 x 1/4 = 4 17 氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride) • 陰陽離子的配位數 都是8 18 氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride) Z-level Cl Z=1 Cs Z = 1/2 Z=0 Simple cubic structure not BCC 19 閃鋅礦結構(ZnS, Zinc blende structure) • 配位數4 20 Diamond Structure 鑽石結構 C Z=1 Z = 3/4 Z = 1/2 Z = 1/4 Z=0 FCC + 1/2 tetrahedral sites 21 螢石結構(CaF2, Fluorite structure) • 若陽離子與陰離子 之電荷數不相等， 則化合物可以化學 式AmXp存在。 22 鈣鈦礦結構(Perovskite structure) • 超過一種以上的 陽離子的陶瓷化 合物。 23 平衡相圖 24 重要名詞及概念 相圖之意義 • 相之生成與溫度及成份間相互關係 • 固溶情形 • 合金開始固化及固化之溫度範圍 • 不同相其開始熔化之溫度 相(phase)：系統中一均質的部份， 具有均一物理和化學特性。 固溶體(solid solutions)：當溶質原子加到母材中，而母 材的晶體結構維持不變且無新結構形成時，便形成固溶 體。常以α及β命名固溶體。 • 置換式或插入式 • 原子尺寸因素(15 %) • 晶體結構相同 • 陰電性相近 • 價數相同 置換式 插入式 25 二元相圖 WL Wα 槓桿法則(lever rule) W α + WL = 1 WαCα + WLCL = C0 Wα= C0 - CL / Cα- CL WL = Cα- C0 / Cα- CL 100% Solid (Wα) CL C0 完全固溶體 Cα Ab An (Cα) Liquid (WL) Ab An (CL) 26 生醫陶瓷 生理性質 • 生物相容性 (Biocompatibility) • 生物活性 (Bioactivity) 製程--表面修飾 Substrate Fiber tissue Tissue • 真空蒸鍍 • 濺鍍 (Sputter) • 電漿噴鍍 (Plasma spray) • 化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD) 27 生理性質 生物相容性 (Biocompatibility) 28 生物活性 (Bioactivity) 29 真空蒸鍍 ：試料 ：試料的氣體原子 基材 基材 電子束 通電加熱 電阻加熱蒸鍍 電子束蒸鍍 5 ~ 10 kV 30 ：陽離子 濺鍍 (Sputter) ：靶材原子 靶材 電 源 供 應 器 基材 31 電漿噴鍍 (Plasma spray) ：欲鍍物 電子槍 ：欲鍍物之陽離子 基 材 32 化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD) ：原料氣體 ：析出物 33 Implantation : 配位基 : Integrin : 細胞 一段時間後 34 生 醫 陶 瓷 材 料 p. 154 Textbook 35 p. 154 Textbook 36 生醫陶瓷材料 • 根據其與動物組織間的反應程度，可分為三大類 可吸收性生醫陶瓷 (Completely Resorbable Bioceramics) 置於人體後，會逐漸溶解而被其周圍組織而取代。這一類 陶瓷有三鈣磷酸鹽(Ca3((PO)4)2，TCP)、非晶質磷酸鹽 (amorphous calcium phosphates，ACP)、貧鈣磷酸鹽 (Calcium deficient apatites，CDA)；在體內的吸收速率為 ACP>TCP>CDA 近惰性生醫陶瓷(Nearly Inert Bioceramics) 置於體液中非常穩定，幾乎不會釋出離子或與組織產生反 應，又分為非孔隙性與孔隙性陶瓷；如氧化鋁、氧化鋯 表面活性生醫陶瓷(Surface-Active Bioceramics) 置於體液中會和組織形成化學鍵結。這一類的陶瓷材料有 氫氧基磷灰石、生醫玻璃等材料 出處:第二組 生醫陶瓷 - ncumaterials 的部落格 - udn部落格 37 可吸收性生醫陶瓷 • 應用於非負荷的用途 • 燒石膏(plaster of paris)：再吸收速率很高的陶瓷材料， 在狗的動物實驗中比天然的骨移植還快；且植入後引起 的組織反應溫和，不會引來巨大細胞(foreign body giantcells)。缺點在吸收速率變化大和機械強度欠佳，使用途 大受限制，近年來有人研究其與氫氧基磷灰石混合後植 入兔子脛骨(tibia)中，發現吸收性良好。 • 磷酸鈣類(Ca-P)亦有優良的再吸收性，包括磷酸鈣(CP)、 三磷酸鈣(TCP)、四磷酸鈣(TECP)、及氫氧基磷灰石 (HAp)等，這類材料的壓縮強度約30 MPa。 38 近惰性生醫陶瓷 氧化鋁陶瓷 所有氧化鋁陶瓷都可抵抗大都數酸類、鹼性及鹽類 的腐蝕 選用氧化鋁的主要原因為： 氧化鋁有良好的生物適應性，且可在組織與植入體間 形成一層薄膜，因而不須再用骨泥固定。 氧化鋁有極低的磨擦係數與磨耗率。 氧化鋁應用到牙科材料已30多年了，其與金屬材料比 較，甚至牙齒本身，有較少的齒斑附著，而在植入材 周圍的齒槽尚能為持原來光滑的形狀。另外氧化鋁也 可以作為人工耳、人工鼻元件。 39 • 生醫碳材料 (1) 低溫等向碳材料 (Low Temperature Isotropic Carbon，簡稱LTI碳) (2) 超低溫等向碳材料 (Utra-Low Temperature Isotropic Carbon， 簡稱ULTI碳，或稱Vapor-Deposition Carbon) (3) 玻璃碳(Glassy Carbon或Vitreous Carbon) • 氧化鋯陶瓷 • 孔隙性陶瓷 40 表面活性生醫陶瓷 • 氫氧基磷灰石 (1)氫氧基磷灰石粉體作為填充物。 (2)小型而較不受力的植入物，如人工中耳骨。 (3)將氫氧基磷灰石被覆於金屬表面，以增加表面活性。 • 生醫玻璃 生醫玻璃是玻璃陶瓷(Glass-Ceramics)的一種，玻璃陶瓷 指的是含有玻璃相的多晶固體材料，其製程是由玻璃熔 解開始，經玻璃成形，再施予控制結晶(Controlled Crystallization)熱處理，使其結晶化形成多晶固體。 41 生醫陶瓷的應用 • 主要應用在人體骨骼、肌肉系統和心血管系統的 修復和替換上。產品有人工骨骼和人工齒等。生 物相容性比金屬類植入材料高 • 另一系列生物可降解磷酸鈣陶瓷，可在人體內一 定時間後降解為體內可吸收之離子成份，應用於 骨釘、骨板可避免病患承受二次手術之苦。 42 複合材料 • 生醫陶瓷的複合材料大概可分為四大類: 1. 以陶瓷為填充物(Filler)或強化物 2. 以陶瓷為基材(Matrix) 3. 基材與強化物均為陶瓷材料 4. 於金屬植入材表面被覆陶瓷膜 43 實例-骨釘 • 早期骨骼組織損傷皆以金屬材料植入骨骼內當替 代物，或做為脊椎手術固定鋼釘，大部分金屬固 定物需於手術一年後再次開刀取出，造成病人二 度傷害，且對於骨骼疏鬆患者，金屬材料並無法 植入患者骨骼組織內作為補強之用。生醫陶瓷/塑 膠複材針對骨骼疏鬆患者有補強與強化骨骼組織 的功用；利用射出技術將生醫複材製成骨釘，作 為骨骼手術之固定物。 44 Thank you for your attention! 45