H-BN ilavesinin zirkonya ile toklaştırılmış alumina seramiklerinin mekanik ve biyouyumluluk özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of h-BN addition on the mechanical and biocompatibility properties of zirconia toughened alumina ceramics
Yazar: GÖKÇE ATA BÜYÜKER
Danışman: DOÇ. DR. İPEK AKIN KARADAYI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Alümina seramik = Alumina ceramic ; Bor nitrür = Boron nitride ; Zirkonyum oksit = Zirconium oxide

Özet:
Biyoseramikler kimyasal ve mekanik özellikleri sebebi ile kas ve iskelet sistemini etkileyen bozuklukların tedavisinde kullanılmaktadırlar. Seramik ve cam malzemeler tıpta uzun zamandır kullanılmasına rağmen implantasyon uygulamaları için mekanik özellikleri yetersiz kalmıştır. Bu yetersizliğin ana sebebi seramik malzemelerin sahip olduğu düşük kırılma tokluğu değeridir. Düşük kırılma tokluğu uzun vadede yavaş ilerleyen çatlak oluşumunu ve nihai olarak implantın görevini yerine getirememesine, hatta deforme olmuş implantın vücuda zarar vermesine yol açar. Bu sebeple, kompozit yapıların oluşturulması ile bu negatif özelliklerin üstesinden gelinmeye çalışılmaktadır. Alüminyum oksit (Al2O3), yüksek korozyon direnci, yüksek sertlik, kimyasal inertlik, düşük elektriksel ve termal iletkenlik, iyi biyouyumluluk gibi özellikleri sebebiyle çeşitli mühendislik uygulamalarında ve biyomalzeme olarak vücut içinde kullanılmaktadır. Ancak düşük kırılma tokluğu kullanım alanlarını sınırlamaktadır. Bu sorunun giderilmesi amacıyla alüminaya MgO, SiC, ZrB2, ZrO2 gibi mikron altı boyutlardaki ikincil faz partikülleri ilave edilmektedir. Bu ilaveler matrisin tane sınırlarına yerleşerek aşırı tane büyümesini önleyip alüminanın dayanımını arttırırlar.
Zirkonyum oksit (ZrO2) esaslı seramikler uzun yıllardır biyomedikal endüstrisinde kullanılan malzemelerdir. Zirkonya seramikleri sıcaklığın etkisi ile allotropik değişim gösterir ve bu değişimler dönüşüm toklaşması mekanizması ile kırılma tokluğunu arttırır. Söz konusu faz dönüşümü sırasında %4-5'lik bir hacim değişimi gerçekleşir ve bu %14-15'lik bir kayma gerilmesi ortaya çıkarır. Bu dönüşüm ilerleyen bir çatlağın çevresinde gerçekleşirse çatlağa karşıt kuvvet oluşturacağından istenen bir sonuç alınır; ancak vücut sıvıları ile temas eden yüzeylerde oluşan çatlak, mikro çatlak oluşumuna ve yüzey pürüzlülüğüne yol açabilir. Zirkonyanın faz dönüşüm mekanizmasını kontrol etmek için zirkonyaya stabilize edici oksitler (MgO, CaO, Y2O3) ilave edilir ve sinterleme sıcaklığı ile oda sıcaklığı arasındaki faz dönüşümü engellenir. Bu oksitler arasında en yaygın olarak kullanılan stabilizatör itriyum oksittir (Y2O3). Sahip oldukları üstün özellikleri bir araya getirilen alümina ve itriyum oksitle stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) seramikleri pek çok yapısal uygulamada monolitik alümina ve zirkonya seramiklerine göre tercih edilmektedir.
Grafenin bulunması ve bilim dünyasına getirdiği yeniliklerin ilgi görmesi ile iki boyutlu malzemeler üzerine teorik ve deneysel çalışmalar hızlanmıştır. Son zamanlarda değişik karbon kaynaklarının kompozitler için takviye malzemesi olarak kullanımı ile ilgili birçok çalışma yapılmaktadır. Yapılan bu çalışmalar karbon kaynaklarının, Al2O3-YSZ kompozitlerinin kırılma tokluğunu arttırdığını göstermiştir. İki boyutlu hegzagonal bor nitrür (hBN), mekanik ve kimyasal özellikleri açısından grafen ile benzerlik göstermektedir. Bu çalışmada hBN'nin grafene nazaran sahip olduğu daha iyi oksidasyon direnci, işlenebilirlik özellikleri ve matris tozları ile aynı renkte olması sebebi ile bu çalışmada Al2O3-YSZ matrisine farklı oranlarda ilave edilerek yoğunlaşma, mikroyapı, mekanik özellikler ve biyouyumluluk üzerine etkisi araştırılmıştır.
Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS, 7.40 MK VII, SPS Syntex Inc.) tekniği kullanılarak öncelikle hacimce %20 ve 30 ZrO2 ve %30 YSZ içeren Al2O3-esaslı kompozitler 1350⁰C'de, 40 MPa basınç altında 5 dk bekleme süresi ile üretilmiştir. En iyi yoğunlaşma davranışına ve en yüksek mekanik özelliklere sahip bileşim (%30 YSZ içeren) matris olarak seçilmiştir. Daha sonra, hacimce %30 YSZ içeren bileşime farklı oranlarda hBN (hacimce, %1, 2, 3, 4 ve 5) ilavesi yapılarak bileşimler hazırlanmış ve SPS yöntemi ile 1350⁰C'de, 40 MPa basınç altında 5 dk bekleme süresi ile sinterlenmişlerdir. Sinterleme sonucunda 50 mm çapında, 4 mm yüksekliğinde silindirik numuneler elde edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında numunelerin relatif yoğunlukları ve mekanik özellikleri ölçülmüş, sinterleme davranışları belirlenmiş, faz analizleri, mikroyapı karakterizasyonu yapılmış ve biyouyumluluk testleri gerçekleştirilmiştir.
İkili kompozitlerin faz analizleri sonucu yapılarında metastabil tetragonal zirkonya kristalleri olduğu gözlenmiştir. Üretilen üçlü kompozitlerde, relatif yoğunluk değerlerinde istatistiksel bir değişime rastlanmamıştır. Sistemde en yüksek relatif yoğunluk, %30 YSZ içeren ve hBN ilavesi olmayan numunede %99,9 olarak ölçülmüştür. Yapılan faz analizlerinde artan hBN oranı ile sinterleme sonrası yapıda görülen monoklinik zirkonya oranı artmaktadır. Vickers sertlik değerlerinde %4 BN katkısına kadar istatiksel bir değişime rastlanmamıştır ancak artan BN miktarı ile düşüş gözlenmiştir. En yüksek kırılma tokluğu %3 BN içeren numunede 7,5 MPa.m1/2 olarak ölçülmüştür. Biyouyumluluk testleri sonucunda hBN katkısının biyouyumluluk özellikleri üzerine olumsuz bir etkisinin olmadığı sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Bioceramics are used in the treatment of disorders affecting the musculoskeletal system due to their chemical and mechanical properties. Although ceramic and glass materials have been used in medicine for a long time, their mechanical properties have been insufficient for implantation applications. The main reason for this insufficiency is the low fracture toughness value of ceramic materials. Low fracture toughness causes slow crack formation in the long term and ultimately the failure of the implant to fulfil its function; even cause the deformed implant to harm the body. For this reason, these negative features are tried to be overcome with the composite production method. Aluminium oxide (Al2O3) is used in various engineering applications and inside the body as a biomaterial due to its properties such as high corrosion resistance, high hardness, chemical inertness, low electrical and thermal conductivity, and good biocompatibility. However, its low fracture toughness limits its usage areas. In order to eliminate this problem, secondary phase particles in submicron sizes such as MgO, SiC, ZrB2, ZrO2 are added to alumina. These additions settle at the grain boundaries of the matrix, preventing excessive grain growth and increasing the strength of the alumina. Zirconium oxide (ZrO2) ceramics are materials that have been used in the biomedical industry for a long time. Zirconia ceramics show allotropic changes with the effect of temperature, and these changes increase fracture toughness by transformation toughening mechanism. During this phase transformation, a volume changes of 4-5% takes place and this creates a shear stress of 14-15%. If this transformation takes place around an advancing crack, a desired result is obtained since it will create an opposite force to the crack; however, cracks formed on surfaces in contact with body fluids may cause microcracks and surface roughness. To control the phase transformation mechanism of zirconia, stabilizing oxides (MgO, CaO, Y2O3) are added to the zirconia and phase transformation between sintering temperature and room temperature is prevented. Among these oxides, the most used stabilizer is yttrium oxide (Y2O3). Alumina and yttrium oxide stabilized zirconia (YSZ) ceramics, which combine their superior properties, are preferred over monolithic alumina and zirconia ceramics in many structural applications.
With the discovery of graphene and the attention of the innovations it brought to the scientific world, theoretical and experimental studies on two-dimensional materials have accelerated. Recently, many studies have been carried out on the use of different carbon sources as reinforcement material for composites. These studies have shown that carbon sources increase the fracture toughness of Al2O3-YSZ composites. Two-dimensional hexagonal boron nitride (hBN) is like graphene in terms of its mechanical and chemical properties. In this study, due to the higher thermal conductivity, lower electrical conductivity, better oxidation resistance, machinability properties and the same colour as the matrix powders, hBN has higher thermal conductivity compared to graphene, and its effect on various properties was investigated by adding it to the Al2O3-YSZ matrix at different rates. In this study, Al2O3-based matrices containing 20% and 30% ZrO2 and 30% YSZ by volume were produced using the spark plasma sintering (SPS, 7.40 MK VII, SPS Syntex Inc.) technique at 1350⁰C, under 40 MPa pressure, with a holding time of 5 minutes. The composite with the best condensation behaviour and the highest mechanical properties (containing 30% YSZ) was chosen as the matrix. Then, the compositions were prepared by adding different amounts of hBN (by volume, %1, %2, %3, %4 and %5) to the composition containing 30% YSZ by volume, and they were sintered by SPS method at 1350⁰C, under 40 MPa pressure, with a holding time of 5 minutes. As a result of sintering, cylindrical samples with a diameter of 50 mm and a height of 4 mm were obtained. Within the scope of characterization studies, the relative densities and mechanical properties of the samples were measured, their sintering behaviours was determined, phase analysis, microstructure characterization and biocompatibility tests were carried out.
As a result of phase analysis of binary composites, it was observed that there were metastable tetragonal zirconia crystals in their structures.
No statistical change was found in the relative density values of the produced triple composites. The highest relative density in the system was measured as 99.9% in the sample containing 30% YSZ and without hBN addition. In the phase analysis, the ratio of monoclinic zirconia seen in the structure after sintering increases with increasing hBN ratio. No statistical change was observed in hardness values up to 4% BN addition, then a decrease was observed. The highest fracture toughness was measured as 7.5 MPa.m1/2 in the sample containing 3% BN. As a result of the biocompatibility tests, it was concluded that the hBN additive did not affect the biocompatibility properties negatively.