Gheorghe POP Mihai CHIRITA

Monica POP ROSTAMI

MATERIALE BIOCERAMICE

EDITURA TEHNOPRESS

IASI 2003

CUPRINS

NOTA AUTORILOR ....................................................... 12 PREFATA.......................................................................... 14 1. INTRODUCERE ........................................................... 19

2. PROPRIETATI ALE MATERIALELOR CERAMICE

………................23

2.1. Porozitatea materialelor ceramice.............................. 24 2.2. Proprietati mecanice................................................... 26

2.2.1. Rezistenta mecanica la temperatura ambiantă .............................................................................. 26

2.2.2. Energia de rupere sub sarcină — Tenacitatea.... 30 2.2.3. Duritatea si rezistenta la uzare ........................ 33

2.3. Proprietăti termice...................................................... 35 2.3.1. Conductibilitatea termică.................................. 35 2.3.2. Dilatarea termică ............................................ 37

2.4. Proprietăti optice ....................................................... 38 2.4.1. Culoarea ceramicelor........................................ 38 2.4.2. Transparenta si transciditatea........................... 39 2.4.3. Proprietati optice speciale................................ 39

2.5. Proprietăti electrice speciale ....................................... 39 2.6. Legarea (imbinarea) ceramicii la alte materiale.......... 40 2.7. Rezistenta la coroziune............................................... 40

3. TEHNOLOGII DE PROCESARE A MATERIALELOR CERAMICE ........................................... 42

3.1. Procesarea pulberii ceramice ............................................ 42 3.1.1. Definirea si caracteristicile pulberilor

ceramice ...................................................................................... 42 3.1.2. Procedee conventionale de producere a pulberii

ceramice .......................................................................... 44 3.1.2.1. Procedeele conventionale la temperaturi ridicate 44 3.1.2.2. Procedeele conventionale la temperaturi joase 46

3.1.3. Procedee neconventionale depreparare a pulberii ceramice 47

3.1.3.1. Procedeul SOL - GEL de obtinere a compusilor ceramici metalo-organici .......................... 47

3.1.3.2. Procedeul cu reactii in faza gazoasa ............. 49 3.1.3.3. Alte procedee speciale ................................. 50

3.2. Procesarea ceramicii crude......................................... 51 3.2.1. Presarea in matrită. ................................................ 51

3.2.1.1. Bazele tehnologice ....................................... 52 3.2.1.2. Parametrii tehnologici ai procedeului........... 55 3.2.1.3. Tehnologia presării in matrită ..................... 57

3.2.2. Compactarea prin presare izostatică..................... 59 3.2.3. Compactarea prin turnarea barbotinelor sub

presiune.............................................................................. 60

3.2.3.1. Bazele tehnologice ale procedeului ............. 60 3.2.3.2. Mecanismul in cinetica turnarii §i filtrarii

sub presiune................................................................................ 62 3.2.4. Procesarea benzilor ceramice prin

turnare......................................................................................... 64 3.2.4.1. Bazele tehnologice............................................ 64 3.2.4.2. Materiale utilizate la producerea benzii

ceramice ................................................................. 66 3.2.4.3. Prepararea pastei pentru turnarea benzilor ceramice …………………………………………………………70 3.2.4.4. Tehnologia de turnare a benzilor ceramice 71

3.2.4.5. Domenii de utilizare a benzilor ceramice........ 74 3.2.5 Compactarea sub presiune la cald. ............................ 75

3.2.5.1. Bazele procesarii ............................................... 75 3.2 5.2. Prepararea pastei termoplastice........................ 76

3.2.5.3. Tehnologia de compactare sub presiune la cald ................................................................................. 77 3.3. Uscarea produselor ceramice crude ................................ 81

3.3.1. Factorii care determind viteza de uscare ................. 81 3.3.2. Fenomene care au loc la uscare .............................. 82 3.4 Sinterizarea produselor ceramice..................................... 83

3.4.1. Sinterizarea ceramicii in stare solida .......................... 85 3.4.2.Sinterizarea produselor ceramice in prezenta fazei

topite ..................................................................... 88

4. CERAMICA DIN OXID DE ALUMINIU........ 90

4.1. Cinnpozitia chimica si caracteristicile oxidului de aluminiu si ale ceramicii din oxid de aluminiu.................... 90

4.2. Tehnologii de procesare a ceramicii din oxid de aluminiu……………………………………………………… 94 4.2.1.Procesarea ceramicii prin turnarea sub presiune in

matrită poroasă .................................................................. 95 4.2.1.1. Prepararea amestecului de materii prime cu formarea barbotinei........................................................... 95 4.2.1.2. Compactarea ceramicii crude .............................. 96 4.2.1.3.Uscarea ceramicii crude compactate...................... 97 4.2.1.4. Sintetizarea produselor ceramice din alumina.....… 98

4. 2. 2. Procesarea ceramicii prin presare izostatica. ........... 101 4. 2. 3. Procesarea ceramicii prin presare si sinterizare la cald 102

4. 2. 4.Prelucrarea produselor ceramice aluminoase dupa sintetizare………………………………………………………………. 105

4.2.4.1. Prelucrarea mecanica ........................................... 105 4.2.4.2. Glazurarea produselor ceramice ........................... 106 4.2.4.3. Metalizarea produselor ceramice .......................... 106

4.3. Aplicatiile ceramicii din alumina in domeniul medical.................................... . .................................................. 107

5. CERAMICA PE BAZA DE FOSFATI DE CALCIU ............................................. .'. .................. 110

5.1. Compozitia chimica si structura apatitelor sintetice......................................................................................... 110 5.2. Unele proprietati fizice ale fosfatilor de

calciu ............................................................................................ 114 5.3. Comportarea apatitelor la incalzire .................................. 116 5.4. Comportarea apatitelor in medii umede ............................ 117 5.5. Procesarea ceramicii pe baza de fosfati de calciu ............. 120

5.5.1 Prepararea pulberii ................................................... 120 5.5.1.1. Prepararea pulberii din solutii apoase ................. 121 5.5.1.2. Prepararea fosfatilor de calciu din sisteme

Neapoase……………………………………………………….122 5.5.1.3. Prepararea pulberii de hidroxiapatita .................. 123

5.5.2. Compactarea si sintetizarea ceramicii. .................... 124 5.6. Proprietatile fizico-mecanice ale ceramicii pe baza

de fosfati de calciu...................................................................... 126 5.7. Domenii de utilizare medicaid .......................................... 128

5.7.1. Implante macroporoase ceramice ............................. 128 5.7.2. Implante ceramice dense ........................................... 129 5.7.3. Alte utilizeari medicate ............................................... 130

6. STICLE CERAMICE......................................... 131

6.1. Definitii si proprietati ...................................................... 131 6.2. Procesarea sticlei ceramice ............................................. 133

6.2.1. Topirea si omogenizarea componentilor................ 134 6.2.2. Afinarea sticlei topite ............................................ 134 6.2.3. Tratamentul de nucleere si crestere a

cristalelor................................................................................. 135 6.3. Ceramici bioactive........................................................... 136 6.4. Ceramici biodegradabile................................................. 138 6.5. Ceramica dentara............................................................ 138

6.5.1. Compozitia chimică si clasificarea portelanului dentar. ....................................................................... 139

6.5.2. Proprietdti mecanice .............................................. 142 6.5.3. Procesarea portelanului dentar. ........................... 144

6.6. Lipirea ceramicii............................................................... 146 6.6.1. Lipirea cu ajutorul unui adaos de material

intermediar. ........................................................................ 147 6.6.2. Procedeul legării directe a ceramicii la

metal............................................................................................ 148 6.6.3. Procedeul legării prin metalizarea

ceramicii ..................................................................................... 149 6.6.4. Procedeul de legare a metalelor direct pe

suportul ceramic ........................................................................ 149

7. BIOMATERIALE PE BAZA DE CARBON..... 152

7.1. Biomateriale carbonice şi proprietătile lor ................... 152 7.2. Tehnologii de procesare a straturilor de

carbon ........................................................................................ 155 7.2.1. Depunerea carbonului pirolitic in strat

fluidizat. ..................................................................................... 155 7.2.2. Procesarea carbonului vitros (sticlă

carbonică)........................................................................................... 157 7.2.3. Carbonul depus in stare de vapori..... ..................... 158

7.3. Aplicatii in medicina ale ceramicii carbonice ............... 159

8. MATERIALE COMPOZITE CERAMICE....... 161

8.1. Definitii, clasificarea si utilizarea medicala a

compozitelor ceramice.............................................................. 161 8.1.1. Clasificarea materialelor compozite ceramice .......... 162 8.1.2. Domenii de utilizare medicală a compozitelor ceramice 166

8.1.2.1. In domeniul chirurgiei ortopedice...................... 166 8.1.2.2. In domeniul implantologic .................................. 166 8.1.2.3. In domeniul medicinei stomatologice ................. 169

8.2. Unele proprietati specifice ale compozitelor ceramice ..................................................................................... 170

8.2.1. Rezistenta la coroziune............................................... 170 8.2.2. Proprietati electrice speciale ..................................... 171 8.2.3. Proprietati termoelectrice ......................................... 171 8.2.4. Proprietati optice ....................................................... 173

8.3. Mecanisme de ranforsare a compozitelor ceramice ..................................................................................... 174

8.3.1. Ranforsarea compozitelor ceramice cu particule ....................................................................................... 174

8.3.1.1. Ranforsarea compozitelor ceramice prin transformari de faza in volumul materialului .................................................................... 174

8.3.1.2. Devierea si blocarea microfisurilor................... 176 8.3.2. Ranforsarea compozitelor ceramice cu fibre ........... 179

8.3.2.1. Mecanismul transferului de sarcina de la matrice la fibre ............................................................................ 180

8.3.2.2. Mecanismul durificarii cu fibre ......................... 181 8.3.2.3. Propagarea fisurilor in compozitele durificate

cu fibre ........................................................................................ 183 8.4. Tehnologii de procesare a compozitelor

ceramice .............................................................., ..................... 186 8.4.1. Tehnici de procesare a compozitelor ceramice in

faza solidd. ................................................................................... 189 8.4.1.1. Metode de obtinere a compozitelor

ceramice crude (nearse) ............................................................. 189 8.4.1.2. Tehnica de sinterizare a compozitelor

ceramice crude ............................................................... 193

8.4.2. Metode deprocesare a compozitelor ceramice in faza lichidd........................................................................... 195

8.4.2.1. Metode de procesare din solutii apoase.. 195 8.4.2.2. Metoda SOL-GEL ............... .'......................... 195 8.4.2.3. Metoda plasma-spray de formare a compozitelor ceramiee

196 8.4.2.4. Procedeul de depunere a materialului ceramic

prin turnare centrifugala........................................................ 196 8.4.3. Metode de procesare a compozitelor in faza

gazoasd................................................................................ 196

8.4.3.1. Metode de depunere si infiltrare chimica ......... 196 8.4.3.2. Depunerea fizica in stare de vapori - PVD...... 199 8.4.3.3. Tehnica reactiei chimice de suprafata............... 199

8.5. Perspective privind realizarea şi aplicatiile materialelor compozite ceramiee........................................... 200

9. BIOMATERIALE CERAMICE UTILIZATE IN SUBSTITUTIA OSOASA ......... , .......................... 202

9.1. Introducere.................................................................................. 202 9.2. Substituenti ososi - consideratii generale ...................................... 204

9.2.1. Osul - biocompozit natural. ................................................... 204 9.3. Biomecanica tesutului osos........................................................... 207 9.4. Ingineria tesutului osos ................................................................ 209 9.5. Regenerarea osoasa..................................................................... 211 9.6. Caracteristici ale substituentilor osoşi .......................................... 212 9.7. Structuri osoase artificiale ............................................................ 215 9.8. Sisteme acelulare - biometariale ceramiee.................................... 219 9.7. Tehnologii de obtinere a substituentilor ososi pe

baza de hidroxiapatita............................................................................ 224 9.10. Metode de caracterizare a substituentilor ososi pe

baza de HA........................................................................................... 226

REFERINTE BIBLIOGRAFICE……………………… 229