(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矯正器または内部人工器官を製造するためのセラミック原料混合物において、ＺｒＯ２を２４．０〜２５．５質量％、Ｃｒ２Ｏ３を０．２６〜０．３５質量％、Ｙ２Ｏ３を０．５０〜０．６質量％、ＳｒＯを０．７０〜０．８５質量％、ＴｉＯ２を０〜０．５質量％およびＭｇＯを０〜０．５質量％、ならびに合計して１００質量％までのＡｌ２Ｏ３を含有していることを特徴とするセラミック原料混合物。
【請求項２】
さらに適切な材料からなるウィスカおよび／または繊維または網状の構造体またはメッシュが添加されていることを特徴とする、請求項１記載のセラミック原料混合物。
【請求項３】
４点曲げ強度が１０００ＭＰａ以上であり、
破壊靱性ＫＩＣが、５．５ＭＰａｍ０．５以上であり、
ワイブル係数が７以上であり、
硬度ＨＶ１０が、１７４０以上であり、かつ
密度ＥＤ２０００が、４．３６０ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする、請求項１または２記載のセラミック原料混合物を焼結することにより得られた焼結成形体。
【請求項４】
酸化ジルコニウムおよびアルミン酸ストロンチウムの成分が、酸化アルミニウムマトリクス中に混合されていることを特徴とする、請求項３記載の焼結成形体。
【請求項５】
アルミン酸ストロンチウムがフレーク状の微結晶、プレートレットの形で存在していることを特徴とする、請求項３または４項記載の焼結成形体。
【請求項６】
請求項３から５までのいずれか１項記載の焼結成形体からなる矯正器または内部人工器官。
【請求項７】
請求項６記載の焼結成形体からなる人工股関節または人工膝関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック材料に関する。
【０００２】
セラミック材料は、多数の応用の可能性を提供する。セラミック材料の組成は、特定の元素および／または元素の化合物を適切に添加することによって、そのつど意図される使用に合わせて調整することができる。酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムはたとえば、単独で、または相互に組み合わされて特に切断工具、触媒用担体または人工機能補完装具へと加工されるセラミック材料である。
【０００３】
硬度、老化安定性、水に対する湿潤特性ならびに高い熱伝導性は酸化アルミニウムからなる焼結成形体から知られている特性であり、高い強度及び高い破壊靱性、つまり損傷許容性は酸化ジルコニウムからなる焼結体から知られている特性である。
【０００４】
本発明の課題は、両材料の特性が統合されたセラミック材料を提供することである。
【０００５】
意外なことに、焼結体中で以下の組成の酸化アルミニウム材料は、特にメディカルエンジニアリング分野における適用のための材料として、たとえば人工股関節および人工膝関節のような矯正器および内部人工器官を製造するために適切であることが判明した。
【０００６】
【表１】
0005641928.tif 000002
【０００７】
相応して合計して１００質量％までが酸化アルミニウムである。
【０００８】
このような材料の組み合わせの主要な構成成分は酸化アルミニウムである。従って特性を決定する特徴、たとえば硬度、弾性率および熱伝導性は、純粋な酸化アルミニウムの特性と緊密な関わりがある。酸化ジルコニウムおよび場合によりアルミン酸ストロンチウムの成分は、酸化アルミニウムマトリックス中に混合されている。原料は有利には高純度で使用する。原料の高い純度によって粒界相の形成はごく僅かな範囲となる。アルミン酸ストロンチウムは特徴的なフレーク状の微結晶、プレートレットを形成し、これらは実質的に強度の向上に貢献する。
【０００９】
酸化ジルコニウムおよびアルミン酸ストロンチウムの成分は、破壊靱性の向上に貢献し、この靱性は純粋な酸化アルミニウムの場合よりも約６０％高い。これらの強化成分によって強度はほぼ２倍上昇し、同時に損傷許容性、つまり損傷の可能性があっても依然として高い残留強度を維持する部材の特性が向上する。
【００１０】
該材料から製造された焼結体の機械的負荷が高い場合に、意外にも、たとえば亀裂の拡大を食い止めるか、または停止するメカニズムが活性化される。この場合に最も重要なメカニズムは、応力に誘発されて酸化ジルコニウムが正方晶相から単斜晶相へと変換されることである。この変換に伴う酸化ジルコニウムの体積の増大は、局所的な圧縮応力の形成をもたらし、これが外部の引張荷重に対抗し、亀裂の成長が妨げられる。
【００１１】
内部に組み込まれたプレートレットによって、意外にも亀裂はそらされて、亀裂が拡大する際の付加的なエネルギーが吸収される。
【００１２】
本発明による材料の特殊性は、両方のメカニズムが互いに強化しあう結果、破壊靱性の効果的な向上が、単にそれぞれのメカニズムを追加することから予測されるよりも大きいことである。
【００１３】
有利な材料組成とこれらの特性は以下に記載されている：
【表２】
0005641928.tif 000003
【００１４】
Ａ１２Ｏ３の含有率は、７２．６５質量％〜７４．５４質量％となる。原料において不可避的な不純物（＜０．０５質量％）も考えられるが、その割合は僅かであるために、特に記載されていない。
【００１５】
本発明による材料からの焼結成形体の製造は、慣用のセラミック技術を用いて行う。実質的なプロセス工程は以下のとおりである：
ａ）規定の組成の粉末混合物を水に加え、沈殿を回避するための液化剤を使用する。
【００１６】
ｂ）溶解機（高速攪拌機）中で均質化する。
【００１７】
ｃ）攪拌ボールミル中で粉砕し、その際、粉末混合物の比表面積が向上される（＝粉砕）。
【００１８】
ｄ）有機結合剤を添加する。
【００１９】
ｅ）噴霧乾燥し、その際、規定された特性を有する流動性の顆粒が生じる。
【００２０】
ｆ）該顆粒を水で濡らす。
【００２１】
ｇ）軸方向で、またはアイソスタチックに加圧する。
【００２２】
ｈ）成形体を切削加工し、その際、焼結収縮を考慮してほぼ最終的な形状を構成する。
【００２３】
ｉ）前焼成し、その際、理論密度の約９８％に収縮する。依然として残留している残りの気孔を外部から閉鎖する。
【００２４】
ｊ）高温および高いガス圧でのホットアイソスタチックプレスにより実質的に完全な最終緻密化を行う。
【００２５】
ｋ）いわゆるホワイト焼成（Ｗｅｉｓｓｂｒａｎｄ）を行うことにより、ホットアイソスタチックプレスによって生じたセラミック中の酸素イオンの不均一性を均一化する。
【００２６】
ｌ）研磨およびポリッシングにより機械加工（ハードマシニング）を行う。
【００２７】
ｍ）熱処理をする。
【００２８】
本発明による材料からなる焼結成形体の特性は、混合によってさらに増強することができる。たとえば焼結成形体を成形する前に、材料中にウィスカおよび／または繊維を混合するか、または焼結前の状態で網状の構造物またはメッシュを材料に組み込むことが可能である。ウィスカ、繊維またはネットまたはメッシュは、セラミック材料との相互作用によりセラミック材料の特性を低下させることのない材料でなくてはならない。さらに、該材料は焼結の間に、材料が損傷されて変化するものであってはならない。
【００２９】
本発明による材料から製造される焼結成形体は、意外にも、特にインプラント用の適用のために、それ自体は競合するセラミック材料である酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムのそれぞれの最も良好な特性が一体となっている。硬度、老化安定性、水に対する湿潤特性および高い熱伝導率は、酸化アルミニウムからなる焼結成形体から公知の特性であり、高い強度および高い破壊靱性、つまり高い損傷許容性は、酸化ジルコニウムからなる焼結成形体から公知の特性である。