复合生物陶瓷材料的超声波加工

2004年第38卷

№9

79

HAP/SiCw复合生物陶瓷材料的超声波加工

牛宗伟1　张建华1　李　丽1,2　孟艳华1

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　山东大学　山东理工大学

摘　要:研究了用超声波加工技术对HAP/SiC复合生物陶瓷材料进行加工时晶须取向对加工机理、材料去除率和加工表面粗糙度的影响。研究结果表明材料去除率和加工表面粗糙度随晶须方向角的增大而增大。在相同的加工条件下,材料的断裂韧性越高,其MMR越小。该研究为HAP/SiCw复合生物陶瓷材料的超声波加工提供了工艺依据。

关键词:超声波加工,　复合材料,　材料去除率,　表面粗糙度

UltrasonicMachiningofHAP/SiCwCompositeBioceramicsNiuZongwei　Zhang　Li　etAbstract:Theinfluenceofwhiskerorientationon,roughnessoffinishedsur2facewhenmachiningtheHAP/SiC2wmachiningtechnologyisstudied.Theresultsshowthatmaterialofwillincreasewiththeincreaseofthedirectionangleθ。Un2derthesameisfracturetoughnessofthematerial,theloweristhematerialremovalrate.ThisfactprovidesbasistheultrasonicmachiningofHAP/SiCwcompositebioceramicsmaterial.

Keywords:ultrasonicmachining,　compositematerial,　materialremovalrate,　roughness

　　1　引言

羟基磷灰石(Hydroxyapatite,简称HA或HAP)因

具有良好的生物相容性和骨传导性以及对人体无毒副作用,而成为重要的人工骨移植材料。但因合成羟基磷灰石的力学性能很差,特别是其断裂韧性较低,因而被严格限制在非动载环境中使用,或被用做合金骨移植材料的表面涂层材料。在HAP陶瓷中加入SiCw可以有效提高其强度和断裂韧性,扩大其应用范围。

生物材料在临床上经常被要求加工成复杂形状。但是由于HAP/SiCw复合生物陶瓷中HAP基体的脆性大,且加入的SiCw硬度高达2700HV,致使刀具磨损过快,而且由于加工过程中SiCw的拔出、断裂和剥离,被加工件的精度和表面质量难以控制,使得该复合生物陶瓷材料难以采用通常的金属切削方法加工。陶瓷材料的加工方法主要有:磨削加工、电火花加工和超声波加工等。陶瓷的磨削加工目前在国内外应用最为广泛,可以获得较高的加工精度和表面质量,但无法加工小孔和形状复杂的表面。由于HAP/SiCw陶瓷不导电,也无法采用电火花加工。

超声波加工适于加工各种硬脆材料,尤其适于加工不导电或电阻率高而不能采用电火花加工的非金属硬脆材料;超声波加工的加工工具不需要旋转,工件和工具之间没有复杂的相对运动,因此加工工具可采用较软的材料做成复杂的形状,易于实现各

种复杂形状的成型孔和成型表面的加工。由于超声波加工中的材料去处是靠极小磨料局部、瞬时的撞击作用,因此工件表面的切削力和切削热很小,不会引起变形和烧伤,可以获得较高的加工表面质量,也不会影响生物陶瓷的生物活性。

在HAP/SiCw复合材料热压烧结过程中,随着基体流动,SiCw向热压面即垂直于热压方向的平面转动,使晶须的分布产生垂直于热压方向的择优取向性,晶须在复合材料中的三维分布如图1所示。热压方向平行于Z轴。设研究平面与热压方向的夹

θ≤),显然随θ的变化,晶须角为方向角θ(0°≤90°在研究平面内的分布也会变化。SiCw在基体中的定

向分布导致热压烧结得到的复合材料在性能上存在各向异性。垂直于热压方向上的材料强度和断裂韧性都明显高于平行于热压方向上的材料[1,2]。晶须的这种分布方式也将对不同方向角面内材料的加工性能带来很大的影响[3,4

]。

图1　SiCw在HAP/SiCw复合材料中的分布示意图