陶瓷股骨头应力分布的有限元分析及制备工艺研究

摘要

由于疾病、运动创伤和老龄化等因素导致的关节病变和损伤严重影响了人们的生活质量，需要借助人工关节置换来恢复功能。本文第一部分通过建立人工股骨头——颈的有限元模型，应用三维非线性有限元分析方法模拟了氧化锆陶瓷股骨头——钛合金股骨柄的应力分布情况，通过改变股骨头假体模型的各种设计参数，分析了股骨头的最大等效应力及分布特征。氧化锆陶瓷股骨头应力分布云图显示，氧化锆陶瓷股骨头应力分布与其临床断裂面形貌特征完全符合。研究表明，随着静载荷增大，陶瓷股骨头的最大等效应力也随之增大；随着锥孔锥度增大，陶瓷股骨头的最大等效应力呈现先降低后升高的趋势变化；随着颈干角增大，陶瓷股骨头的最大等效应力随之减小；随着陶瓷股骨头直径的增大，陶瓷股骨头的最大等效应力值逐渐减小。以上有限元模型的分析结果，不仅为陶瓷股骨头的结构设计、组织优化和材料选择提供了十分有价值的实验依据，同时，也为陶瓷股骨头的临床应用提出了有用的参考。
　　 随着先进材料制造工艺的不断发展，陶瓷注射成型技术作为一种新型的近净成型技术，已受到广大材料专家的普遍关注并在精密陶瓷生产行业得到逐渐应用。陶瓷注射成型技术包括喂料制备，注射成型，脱脂和烧结四个主要步骤，然而，脱脂和烧结阶段是该技术实施过程中控制最难和耗时最长的关键环节。
　　 本文第二部分基于ZrO2陶瓷粉末注射成型技术的应用，探讨了该技术在氧化锆陶瓷股骨头生产过程中的关键环节，特别深入研究了低温热脱脂过程及机理。以蜡基ZrO2陶瓷粉末注射喂料的热分析规律为依据，分析了蜡基喂料的热脱脂过程，探讨了蜡基喂料的热脱脂机理。通过对热脱脂前后ZrO2陶瓷粉末注射成型球坯的重量损失、尺寸收缩、外观缺陷和微观组织形貌的分析评估，着重探讨了蜡基2r02陶瓷粉末注射成型球坯热脱脂过程中存在的主要缺陷和成因。研究表明，流蜡、鼓泡和开裂等热脱脂缺陷主要发生在低温脱脂阶段。然后，结合“失重率控制”和“定点等温控制”的热脱脂思路，给出了优化蜡基ZrO2陶瓷粉末注射成型球坯热脱脂工艺的基本原则。最后，对传统热脱脂工艺进行了改进和优化。在不延长总脱脂时间的前提下，显著提高了蜡基ZrO2陶瓷注射成型球坯的脱脂合格率，并且烧结获得了致密的ZrO2陶瓷球头。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 有限元分析在髋关节置换力学分析中的应用

1.1.1 生物陶瓷材料

1.1.2 股骨头的设计

1.1.3 有限元法在髋关节置换力学分析中的应用

1.2 陶瓷注射成型概述

1.2.1 陶瓷注射成型技术过程

1.3 课题研究内容、目的和意义

第二章 陶瓷股骨头应力分布的有限元分析

2.1 三维有限元分析模型

2.1.1 材料参数

2.1.2 股骨头的有限元重建

2.2.3 加载方式

2.2 结果分析与讨论

2.2.1 载荷对股骨头等效应力分布的影响

2.2.2 孔锥度对股骨头最大等效应力的影响

2.2.3 颈干角对股骨头最大等效应力的影响

2.2.4 球头直径对股骨头最大等效应力的影响

2.3 小结

第三章 陶瓷球头制备工艺研究

3.1 实验材料与方法

3.1.1 实验材料及球坯成型

3.1.2 分析方法

3.2 热脱脂过程及工艺设计

3.2.1 喂料热分析

3.2.2 热脱脂工艺设计

3.3 低温热脱脂机理研究

3.3.1 低温热脱脂研究方法

3.3.2 低温热脱脂规律及激活能

3.3.3 脱脂过程及排蜡机理

3.4 微观组织形貌

3.5 热脱脂过程缺陷产生机理

3.5.1 球坯的主要热脱脂缺陷

3.5.2 热脱脂缺陷的成因及对策

3.6 坯体烧结缺陷分析及致密化

3.6.1 烧结坯体的缺陷及对策

3.6.2 烧结坯体的致密化

3.7 小结

第四章 结论

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢