在医疗领域,陶瓷零件广泛应用于多种设备和植入物。具体包括人工关节和骨科植入物(如髋关节、膝关节、骨板和螺钉),牙科修复材料(如牙冠、牙桥和假牙基底),牙科工具(如牙钻、磨头和抛光工具),高硬度的手术器械(如手术刀片、剪刀、镊子和探针),生物医学传感器和微机电系统(如生物传感器基板和保护层),高温和高频诊断设备部件(如X射线设备元件、显微镜部件、MRI设备组件和超声波设备部件)。
还有药物输送系统和导管针头,微流控芯片用于实验室诊断和分析,高功率激光手术设备和散热基板,电子显微镜样品托盘,高精度的手术导航和定位系统,防护涂层用于医疗器械表面,透析机中的流体控制阀,心脏起搏器和除颤器的外壳和保护层,以及用于微创手术的导丝和套管。这些零件主要由氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硅等陶瓷材料制成。
图 医疗用陶瓷零部件,来源:凯路精密
一、医疗领域的精密陶瓷
氧化铝(Aluminium oxide,Al₂O₃)在常见的化学环境下表现出色,具有良好的耐腐蚀性,非常高的硬度和优秀的耐磨性;氧化铝具有良好的生物相容性,不易引起过敏反应或排斥反应,适合用于医疗器械和植入物;而且氧化铝有着良好的高温稳定性和热冲击抗性,电绝缘性。
氧化铝在医疗零部件方面,常用于外科器械和工具(手术刀)、骨科植入物、人工关节、生物医疗设备柱塞、阀座、药物仪器结构件、医疗注射器具、医学影像设备零件、生物医学传感器外壳、导管和针头等。
氧化锆(Zirconia,ZrO₂)具有极高的硬度和强度,是常用的高性能陶瓷材料之一,具有优异的耐磨性;氧化锆在大多数酸、碱和有机溶剂中都具有很好的耐腐蚀性能;氧化锆的熔点约为2715°C,高温环境下保持稳定性能;而且具有良好的生物相容性,除此外还具备低热导率、高电阻率、化学稳定性。
图 氧化锆牙科修复,来源:O2 Dental
氧化锆在医疗领域主要用作牙科修复体(如牙冠、牙桥和假牙基底),牙科工具(牙钻、磨头和抛光工具),人工关节、耳蜗零件、手术刀具和骨科植入物。
氮化硅(Silicon Nitride,Si₃N₄)是最坚硬的陶瓷材料之一,具有极高的硬度和强度,氮化硅在摩擦和磨损环境中表现出色,在大多数酸、碱和有机溶剂中都具有良好的耐腐蚀性能;在高温下能保持其机械强度和硬度,熔点高约为1900°C;氮化硅的热膨胀系数较低,有良好的热导率,电阻率高,氮化硅的密度较低,相对于其他陶瓷材料,更轻,适用于需要减轻重量的应用场合。
氮化硅在医疗方面的有外科手术器械,人工髋关节、人工膝关节,生物传感器,生物医学器件,医学实验室设备零件,牙科种植体、牙科钻头和工具等。
氮化铝(Aluminum Nitride,AlN)是一种重要的陶瓷材料,氮化铝的热导率非常高,约为170-260 W/m·K,是极佳的热管理材料,有优异的电绝缘性能,电阻率高,氮化铝的热膨胀系数较低,与硅和其他半导体材料的热膨胀系数相近,氮化铝具有良好的机械性能,化学稳定性,生物相容性,而且氮化铝的介电损耗低,在高频电子器件中表现优异,是理想的微波和射频器件材料。
氮化铝在医疗领域的应用相对较新,医疗设备散热基板(如激光手术设备、X射线成像设备和高功率诊断设备),生物传感器基板(如血糖监测、心率监测等),医疗成像设备(如MRI和超声波设备)中的高频和高温电子组件等。
碳化硅(Silicon Carbide,SiC)的硬度仅次于金刚石,是已知材料中最硬的物质之一。碳化硅具有高硬度和高强度,优异的耐磨性,高温稳定性(熔点约为2700°C,适用于高温环境),碳化硅的热导率较高,可以有效传导热量,具有良好的热稳定性,不易发生腐蚀,碳化硅可以是电绝缘体,也可以通过掺杂变成半导体材料,抗压强度高。
碳化硅医疗领域的应用有骨科手术器械,如钻头和磨头,牙科整形工具,骨折固定和修复的骨板和螺钉,生物医学传感器和微机电系统(MEMS)器件,实验室设备诊断和分析的微流控芯片,医疗器械涂层,生物植入传感器,医疗成像设备部件等。
医疗陶瓷部件的加工是复杂的。氧化铝、氧化锆、氮化硅和碳化硅等陶瓷材料具有极高的硬度和脆性。在加工过程中必须使用高精度加工设备完成精确加工,包括复杂几何形状的切割和加工。
图 医疗用陶瓷零部件,来源:凯路精密
而且,陶瓷材料在加工过程中对温度和压力敏感,特别是在高速切削或研磨过程中,容易导致材料产生裂纹或断裂。需要采用特殊的冷却和润滑方法,以减少热量和摩擦对材料的影响。
除此之外,医疗陶瓷部件的加工还需要严格的质量控制。每个加工步骤都需要仔细监控和检验,以确保零件的尺寸精度、表面光洁度和机械性能符合医疗使用和设计要求。这包括使用先进的测量和检验设备进行全面的质量检查,确保每个部件都满足设计要求和客户期望。
因此,医疗陶瓷部件的加工需要高度专业化的技术和经验,以应对材料本身的特性和医疗行业对产品质量和安全性的严格要求。
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