医疗植入体先进陶瓷的发展历程 二十世纪七十年代 上个世纪70年代，氧化铝凭借低摩擦、润湿性、高耐磨性和生物相容性这些优良性能，一直用来生产陶瓷-聚合物(CoP)和陶瓷-陶瓷(CoC)负载结构的人工髋关节。这得益于氧化铝的低摩擦性、润湿性、高耐磨性和生物相容性。 多年来，通过使用晶粒尺寸更小的粉末、使用HIP工艺降低孔隙率及提高断裂韧性，产品性能逐渐得到改善。然而，高断裂率和轴承噪音仍然存在，需要进一步改进材料。 二十世纪八十年代 到了八十年代，部分稳定状态的氧化锆(PSZ)因为其出色的断裂韧性和高强度被引入骨科市场，用于阻止和偏转扩展裂纹从而提高断裂韧性的应力诱导相变机制被证明难以控制。这导致植入物的体内骨折率很高。 二十世纪九十年代 经过几十年的研究，最终在20世纪90年代开发了氧化锆增韧氧化铝(ZTA)，ZTA是一种氧化铝基复合陶瓷，其中氧化铝为主要和连续相(70-95%)，氧化锆为第二相(30% - 5%)，弥散的ZTA提高了基体的断裂韧性，这种材料在2001年成功推向市场。
热等静压（HIP） —氧化锆增韧氧化铝(ZTA)生产的最佳选择
ZTA虽然属性优良，但是采用传统的致密化技术生产的ZTA 仍然无法承受高应力应用中的磨损。无压烧结产生的残留气孔和孔洞会变成裂纹源，这会导致产品的强度和可靠性降低。而Quintus Technologies先进的热等静压技术就完美地解决了这些问题，通过高温高压致密化处理减少孔洞和气孔，直接提高了ZTA的强度和寿命，充分发挥材料设计的潜力。
Quintus Technologies先进的HIP系统提高ZTA的生产率
配备均匀快速冷却（URC®）的Quintus Technologies热等静压设备可对气孔和孔洞进行必要的致密化，并且有可能将生产率最高提升100%。URC®是一种内置的冷却控制功能，利用HIP炉内压缩的高密度气体的强制对流来实现。 用于ZTA陶瓷的典型致密化循环，使用温度 >1400°C，压力 >1000bar。在传统的HIP设备中，90公斤ZTA有效载荷的一个循环时间超过18小时。整个加工过程中超过一半的时间是用于熔炉的自然冷却，冷却时间并不产生效益。通过使用Quintus Technologies的URC®，熔炉可以在1小时内从1500C降至300C（-20K/min），而传统的熔炉则需要大约10小时，因此采用Quintus Technologies的URC®的热等静压系统，不仅能实现ZTA的性能最大化，还可以将生产率提高一倍以上。
无快冷和带有快冷的循环 使用均匀快速冷却(URC®)加速HIP循环
ZTA髋杯在强制冷却过程中的热弹性应力
由于强制冷却会增加产品表面的热拉伸应变，因此必须通过计算来控制冷却速率以确保热弹性应力不会超过产品的最终断裂应力和PSZ岛相变的触发应力。 为了估算快速冷却过程中产生的应力，Quintus Technologies的工程师使用了一组商用ZTA材料数据，并使用了各种形状和尺寸的髋杯（例如，壁厚12毫米）进行计算， 发现使用气体对流以 20K/min冷却的热冲击将明显小于热传导系数<1000 W/(m2K)时的无限冷却热冲击，可以通过以下公式计算产生的应力：
σth-el = ΔTα E β / (1-ν) 公式1 – 气体对流冷却下的热弹性应力 ◉ σth-el 热弹性应力 [MPa] ◉ ΔT 材料中与冷却速率相关的温度梯度 ◉ ν 泊松比 ◉ E 弹性模量 [MPa] ◉ α 热膨胀系数 [1/K] ◉ β 毕奥数 其中 β = r h / λ 公式 2 – 毕奥数 ◉ r 组件最厚截面的半径i [m] ◉ h 冷却速率相关的传热系数 [W/(m2 K)] ◉ λ 材料的热导率 [W/(mK)]
由于冷却是在等静压应力下进行，实际HIP压力将抵消主要热弹性拉应力: σtot cooling = σth-el (tension) + σIso (compression) 公式 3 – 冷却过程中在热等静压组件中产生的主要应力
使用Quintus Technologies内部研究发现的ΔT和传热系数数据，可以得出典型的ZTA髋杯在控温冷却速度为20K/min的URC®冷却段，将主要处于压缩热弹性应力下，并远低于其最终断裂强度。与接近无限传热系数的热冲击暴露相反，例如油淬或水淬，URC®段中温和的气体对流冷却将显著降低热弹性应力。 在研究强制冷却期间PSZ岛自发相变的概率时，X.Wang4发现四方到单斜相变的触发应力约为300MPa。由此可以得出结论，在URC®冷却过程中ZTA髋杯中出现的热弹性应力将远低于相变的触发应力。
Quintus科技先进技术与ZTA的完美结合 ZTA结合了氧化铝的硬度和耐磨性，同时氧化锆提高了断裂韧性和强度，成为当今CoC关节置换的基准材料。为了充分发挥材料体系的潜力，对气孔和孔洞进行HIP致密化是最佳做法，也是确保ZTA的高韧性和断裂强度所必需的。采用Quintus Technologies的热等静压系统和URC®炉的快速冷却功能，可以在显著提升生产率的同时确保产品的完整性和可靠性。
原文始发于微信公众号（Quintus Technologies）：先进的热等静压技术（HIP）提高医疗陶瓷生产率