材料科學與工程

1. 材料科學與工程 製程 結構 性質 性能 結構：內部成份與排列 性質：機械、電性、熱性質、磁性、光學性質 和劣化(材料的化學反應) Ceramic Materials Speaker:廖文翎 Adviser : Hsien-Chang Chang 2011/12/07

2. Ceramics Nonmetal inorganics Classification of Materials • Engineering materials • Composites • Semiconductors • Biomaterials

3. Classification of Ceramic Materials • 陶瓷器(ceramic whiteware) • 陶器(earthenware): 不熔化、有顏色、多孔性 • 瓷器(porcelain): 坯體熔化、白色、緻密不透水 • Stoneware: 坯體熔化或是部分熔化、不透水、有色不透光、有施釉 • 玻璃(glass):非晶質固體一種 • 水泥(cement):含有機質、無機質的接著結合材料 • 耐火材料(refractory materials):高溫中難軟化或熔融的非金屬無機材料 • 精密陶瓷(Fine/Advanced ceramics): 應用於高科技

4. Classification of Ceramic Materials • 傳統陶瓷 使用天然原料、利用黏土可塑性的成型法、含有玻璃融體的燒結法 • 精密陶瓷 使用高純度原料、精密調整的化學組成、控制嚴密的製造過程(沒有可塑性)

6. 精密陶瓷與傳統陶瓷之差異

7. Crystal Structure Crystal: it is defined as an orderly array of atoms in space. LRO: long range order SRO: short range order Corner:1/8 Edge: 1/4 Face: 1/2 Interior: 1 Unit cell (u.c.)

8. Summary of Metallic Crystal Structures • Simple cubic (SC) • Face-Centered Cubic (FCC) • Body-Centered Cubic (BCC) • Hexagonal Close-Packed (HCP)

9. Metallic Crystal Structures Simple cubic (SC) Atomic packing factor (APF) = 52% Coordination number (CN) = 6 1/8 x 8 = 1 atom/u.c.

10. Face-Centered Cubic (FCC) Atomic packing factor (APF) = 74% Coordination number (CN) = 12 1/8 x 8 + 1/2 x 6 = 4 atoms/u.c.

11. Body-Centered Cubic (BCC) Atomic packing factor (APF) = 68% Coordination number (CN) = 8 1/8 x 8 + 1 x 1 = 2 atoms/u.c.

12. Hexagonal Close-Packed (HCP) Atomic packing factor (APF) = 74% Coordination number (CN) = 12 1/3 x 12 + 1/2 x 2 + 1 x 3 = 8 atoms/u.c.

13. 穩定與不穩定陰－陽離子配位結構

14. 不同陰離子－陽離子半徑比(rC/rA)之配位數與幾何形狀不同陰離子－陽離子半徑比(rC/rA)之配位數與幾何形狀

15. Summary of Ceramic Structures • 氯化鈉/岩鹽結構(NaCl /Rock salt) • 氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride) • 閃鋅礦結構(ZnS, Zinc blende structure) • 螢石結構(CaF2, Fluorite structure) • 鈣鈦礦結構(Perovskite structure)

16. 氯化鈉/岩鹽結構(NaCl /Rock salt) • 具有相同的陰離子和陽離子數之陶瓷材料皆屬此類。 • 陽離子與陰離子的配數皆為6，陰陽離子半徑比介於0.414 和0.732 之間。 • 常見的岩鹽結構：NaCl、MgO、MnS、LiF、FeO。

17. Cl T T T T Na T T T T 氯化鈉/岩鹽結構(NaCl /Rock salt) Z = 1 Z = 3/4 Z = 1/2 FCC + all octahedral sites Z = 1/4 8 tet. sites/u.c. 1 x 8 = 8 4 oct. sites/u.c. Z = 0 1 x 1 + 12 x 1/4 = 4

18. 氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride) • 陰陽離子的配位數都是8

19. 氯化銫結構(CsCl, Cesium chloride) Z-level Cl Z = 1 Cs Z = 1/2 Simple cubic structure not BCC Z = 0

20. 閃鋅礦結構(ZnS, Zinc blende structure) • 配位數4

21. Diamond Structure 鑽石結構 C Z = 1 Z = 3/4 Z = 1/2 Z = 1/4 Z = 0 FCC + 1/2 tetrahedral sites

22. 螢石結構(CaF2, Fluorite structure) • 若陽離子與陰離子之電荷數不相等，則化合物可以化學式AmXp存在。

23. 鈣鈦礦結構(Perovskite structure) • 超過一種以上的陽離子的陶瓷化合物。

24. 平衡相圖

25. 重要名詞及概念 • 相圖之意義 • 相之生成與溫度及成份間相互關係 • 固溶情形 • 合金開始固化及固化之溫度範圍 • 不同相其開始熔化之溫度 相(phase)：系統中一均質的部份， 具有均一物理和化學特性。 • 固溶體(solid solutions)：當溶質原子加到母材中，而母材的晶體結構維持不變且無新結構形成時，便形成固溶體。常以α及β命名固溶體。 • 置換式或插入式 • 原子尺寸因素(15 %) • 晶體結構相同 • 陰電性相近 • 價數相同 置換式 插入式

26. 槓桿法則(lever rule) Wα + WL = 1 WαCα + WLCL = C0 WL Wα Wα= C0 - CL/ Cα- CL WL= Cα- C0/ Cα- CL 100% Solid (Wα) Liquid (WL) Ab An (Cα) Ab An (CL) CL C0 Cα 二元相圖 完全固溶體

27. Fiber tissue Substrate Tissue 生醫陶瓷 生理性質 • 生物相容性 (Biocompatibility) • 生物活性 (Bioactivity) 製程--表面修飾 • 真空蒸鍍 • 濺鍍 (Sputter) • 電漿噴鍍 (Plasma spray) • 化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD)

28. 生理性質 生物相容性 (Biocompatibility)

29. 生物活性 (Bioactivity)

30. ：試料的氣體原子 ：試料 基材 基材 電子束 通電加熱 5 ~ 10 kV 真空蒸鍍 電子束蒸鍍 電阻加熱蒸鍍

31. ：陽離子 ：靶材原子 電源供應器 濺鍍 (Sputter) 靶材 基材

32. 電漿噴鍍 (Plasma spray) ：欲鍍物之陽離子 ：欲鍍物 基材 電子槍

33. 化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD) ：原料氣體 ：析出物

34. Implantation : Integrin : 細胞 : 配位基 一段時間後

35. 生醫陶瓷材料 p. 154 Textbook

36. p. 154 Textbook

37. 生醫陶瓷材料 • 根據其與動物組織間的反應程度，可分為三大類 • 可吸收性生醫陶瓷(Completely Resorbable Bioceramics) 置於人體後，會逐漸溶解而被其周圍組織而取代。這一類陶瓷有三鈣磷酸鹽(Ca3((PO)4)2，TCP)、非晶質磷酸鹽(amorphous calcium phosphates，ACP)、貧鈣磷酸鹽(Calcium deficient apatites，CDA)；在體內的吸收速率為ACP>TCP>CDA • 近惰性生醫陶瓷(Nearly Inert Bioceramics) 置於體液中非常穩定，幾乎不會釋出離子或與組織產生反應，又分為非孔隙性與孔隙性陶瓷；如氧化鋁、氧化鋯 • 表面活性生醫陶瓷(Surface-Active Bioceramics) 置於體液中會和組織形成化學鍵結。這一類的陶瓷材料有氫氧基磷灰石、生醫玻璃等材料 出處:第二組 生醫陶瓷 - ncumaterials 的部落格 - udn部落格

38. 可吸收性生醫陶瓷 • 應用於非負荷的用途 • 燒石膏(plaster of paris)：再吸收速率很高的陶瓷材料，在狗的動物實驗中比天然的骨移植還快；且植入後引起的組織反應溫和，不會引來巨大細胞(foreign body giant-cells)。缺點在吸收速率變化大和機械強度欠佳，使用途大受限制，近年來有人研究其與氫氧基磷灰石混合後植入兔子脛骨(tibia)中，發現吸收性良好。 • 磷酸鈣類(Ca-P)亦有優良的再吸收性，包括磷酸鈣(CP)、三磷酸鈣(TCP)、四磷酸鈣(TECP)、及氫氧基磷灰石(HAp)等，這類材料的壓縮強度約30 MPa。

39. 近惰性生醫陶瓷 氧化鋁陶瓷所有氧化鋁陶瓷都可抵抗大都數酸類、鹼性及鹽類的腐蝕  選用氧化鋁的主要原因為： • 氧化鋁有良好的生物適應性，且可在組織與植入體間形成一層薄膜，因而不須再用骨泥固定。  • 氧化鋁有極低的磨擦係數與磨耗率。 氧化鋁應用到牙科材料已30多年了，其與金屬材料比較，甚至牙齒本身，有較少的齒斑附著，而在植入材周圍的齒槽尚能為持原來光滑的形狀。另外氧化鋁也可以作為人工耳、人工鼻元件。

40. 生醫碳材料(1) 低溫等向碳材料 (Low Temperature Isotropic Carbon，簡稱LTI碳) (2) 超低溫等向碳材料 (Utra-Low Temperature Isotropic Carbon， 簡稱ULTI碳，或稱Vapor-Deposition Carbon) (3) 玻璃碳(Glassy Carbon或Vitreous Carbon)  • 氧化鋯陶瓷 • 孔隙性陶瓷

41. 表面活性生醫陶瓷 • 氫氧基磷灰石 (1)氫氧基磷灰石粉體作為填充物。  (2)小型而較不受力的植入物，如人工中耳骨。  (3)將氫氧基磷灰石被覆於金屬表面，以增加表面活性。 • 生醫玻璃 生醫玻璃是玻璃陶瓷(Glass-Ceramics)的一種，玻璃陶瓷指的是含有玻璃相的多晶固體材料，其製程是由玻璃熔解開始，經玻璃成形，再施予控制結晶(Controlled Crystallization)熱處理，使其結晶化形成多晶固體。

42. 生醫陶瓷的應用 • 主要應用在人體骨骼、肌肉系統和心血管系統的修復和替換上。產品有人工骨骼和人工齒等。生物相容性比金屬類植入材料高 • 另一系列生物可降解磷酸鈣陶瓷，可在人體內一定時間後降解為體內可吸收之離子成份，應用於骨釘、骨板可避免病患承受二次手術之苦。

43. 複合材料 • 生醫陶瓷的複合材料大概可分為四大類: • 以陶瓷為填充物(Filler)或強化物 • 以陶瓷為基材(Matrix) • 基材與強化物均為陶瓷材料 • 於金屬植入材表面被覆陶瓷膜

44. 實例-骨釘 • 早期骨骼組織損傷皆以金屬材料植入骨骼內當替代物，或做為脊椎手術固定鋼釘，大部分金屬固定物需於手術一年後再次開刀取出，造成病人二度傷害，且對於骨骼疏鬆患者，金屬材料並無法植入患者骨骼組織內作為補強之用。生醫陶瓷/塑膠複材針對骨骼疏鬆患者有補強與強化骨骼組織的功用；利用射出技術將生醫複材製成骨釘，作為骨骼手術之固定物。

45. Thank you for your attention!