1001207廖文翎

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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
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Classification of Materials
Materials
Metal
Metallic elements
Non metal
Alloy
Engineering materials
 Composites
 Semiconductors
 Biomaterials
Ceramics
Organic
Inorganic
Polymer
Ceramic
Nonmetal inorganics
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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
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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
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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.
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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.
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Body-Centered Cubic (BCC)
Atomic packing factor (APF) = 68%
Coordination number (CN) = 8
1/8 x 8 + 1 x 1 = 2 atoms/u.c.
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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.
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穩定與不穩定陰-陽離子配位結構
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不同陰離子-陽離子半徑比(rC/rA)之配位數與幾何
形狀
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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)
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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。
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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
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氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride)
• 陰陽離子的配位數
都是8
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氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride)
Z-level
Cl
Z=1
Cs
Z = 1/2
Z=0
Simple cubic structure
not BCC
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閃鋅礦結構(ZnS, Zinc blende structure)
• 配位數4
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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
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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。
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鈣鈦礦結構(Perovskite structure)
• 超過一種以上的
陽離子的陶瓷化
合物。
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平衡相圖
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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
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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)
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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)
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生理性質
生物相容性 (Biocompatibility)
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生物活性 (Bioactivity)
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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
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:陽離子
濺鍍 (Sputter)
:靶材原子
靶材
電
源
供
應
器
基材
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電漿噴鍍 (Plasma spray)
:欲鍍物
電子槍
:欲鍍物之陽離子
基
材
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化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD)
:原料氣體
:析出物
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Implantation
: 配位基
: Integrin
: 細胞
一段時間後
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生
醫
陶
瓷
材
料
p. 154
Textbook
35
p. 154
Textbook
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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
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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。
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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。
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• 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
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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。
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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。
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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
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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。
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Thank you for your attention!
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