Spark Plasma Sintern eines modernen Knochenersatzmaterials - Versuchsbeschreibung

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Fortgeschrittenenpraktikum III

Spark Plasma Sintern (SPS) eines modernen

Knochenersatzmaterials Betreuer: Dipl.-Phys. Gunnar Rott

Stand: 01.04.2011

Φ = (61.0 ± 1.9)%

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Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG............................................................................................................................................................... 3

2 THEORIE ..................................................................................................................................................................... 3

2.1 FUNKTIONSWEISE DES SPARK-PLASMA-SINTERN ............................................................................................... 3

2.2 KNOCHENERSATZMATERIAL .................................................................................................................................. 4

3 AUFGABENSTELLUNG ............................................................................................................................................ 5

4 QUELLEN .................................................................................................................................................................... 5

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1 Einleitung [1] Das Spark-Plasma-Sintern (SPS) bzw. FAST (Field Assisted Sintering Technology) ist eine neue und innovative Sintertechnologie. die bei der Verarbeitung zahlreicher Materialien zunehmend an Bedeutung gewinnt, wie z.B. bei nanostrukturierten Werkstoffen. Verbundwerkstoffen und Gradientenwerkstoffen. Der Prozess basiert auf einem modifizierten Heißpressverfahren bei dem der elektrische Strom statt durch einen externen Heizer direkt durch das Presswerkzeug und das Bauteil läuft (s. Abb. 1). Durch den gepulsten elektrischen Strom und den so genannten „Spark-Plasma-Effekt“ können sehr schnelle Aufheizzeiten und kurze Prozesszyklen realisiert werden. Dadurch können das Kornwachstum und die Einstellung von Gleichgewichtszuständen unterdrückt werden, was Werkstoffe mit bisher unerreichbaren Zusammensetzungen und Eigenschaften, Materialien im Submikron oder Nanobereich und Verbundmaterialien mit einzigartigen Zusammensetzungen ermöglicht.

2 Theorie 2.1 Funktionsweise des Spark-Plasma-Sintern [1]

Beim Spark-Plasma-Sintern (SPS) wird ein gepulster Gleichstrom im kA-Bereich durch ein mikro- oder nanostrukturiertes Pulver geleitet, welches sich in einer zylindrischen Matritze befindet und durch Stempel im Bereich mehrerer MPa zusammengepresst wird. Man spricht hierbei vom direkten Heizprozess. Alternativ können auch nicht leitende Materialien indirekt geheizt werden. Dies geschieht, indem der Strom nicht durch das Pulver, sondern durch die Pressform geleitet wird (s. Abb. 2). Die Erwärmung des Pulvers folgt theoretisch daher, dass der über das Werkzeug eingeleitete Pulsstrom an den Korngrenzen der Ausgangspulverpartikel zur partiellen Erwärmung und zur Bildung eines elektrischen Feldes mit Plasmaeffekt führt (s. Abb. 3). Entscheidend für die Art der Erwärmung ist das gewählte Gleichstrompulsprofil.

Abbildung 1: Prinzip skizze des SPS-Verfahrens [1] Abbildung 2: Heizvarianten beim SPS -Verfahren

Direktes Heizen bei leitenden Materialien

Indirektes Heizen bei nicht leitenden

Materialien

Gepulster Gleichstrom (kA)

Stromleitender Bereich

Abbildung 3: Theoretisches Prinzip der SPS-Erwärmung [1]

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2.2 Knochenersatzmaterial

Vor einigen Jahren entdeckten Wissenschaftler Calciumtitanat (CaTiO3) bei der Beschichtung von Titanlegierungen mit Hydroxylapatit (HA). Diese Formation erhöht die Bindungsstärke zwischen Titan und HA und verbessert ebenfalls die Calciumphosphatbildung auf Titan [6]. Später wurde berichtet, dass sowohl CaTiO3- als auch HA/CaTiO3-Beschichtungen höhere mechanische Eigenschaften als reine HA-Beschichtungen aufweisen. Außerdem zeigt CaTiO3 ein spezielles di- sowie piezoelektrisches Verhalten, welches seine Anwendung als Biokeramik (sog. "smart bioceramic") interessant macht [2].

Abbildung 1 zeigt das Phasendiagramm von CaO-TiO2. Das Material zeigt eine Perowskitstruktur ähnlich wie BaTiO3 (vgl. Abb. 2). CaTiO3 hat zwei Hauptphasen, die orthorhombische Pbmn-Struktur bei Temperaturen unterhalb von 1112°C und die kubische Pm3m-Struktur bei Temperaturen über 1307°C. Als Zwischenphasen sind die Cmcm- (orthorhombisch, 1112°C < T < 1227°C) und die P4/mbm (tetragonal, 1227°C < T < 1307°C) bekannt [3, 4]. Kommerziell erhältliches CaTiO3 wird überwiegend über die Festkörperreaktion zwischen CaCO3 und TiO2 bei Temperaturen über 1300°C erzeugt. Auch ist es möglich CaTiO3-Pulver mit Kristallitgrößen zwischen 0,1 und 0,5 cm bei Temperaturen zwischen 150°C und 200°C hydrothermisch aus

hydrierten Titan-Gelen und reaktivem Calciumoxid in einem Autoklaven zu generieren [5]. Zur Synthese nanokristallinen, phasenreinen Calciumtitanats ist der moderne Sol-Gel-Prozess bestens geeignet, ein nasschemischer Vorgang, welcher bedeutend geringere Temperaturen bedingt [6]. Derzeit wird Calciumtitanat nur als Beschichtungsmaterial in der Literatur im Bereich der Biomaterialien erwähnt, sodass dessen Untersuchung als voluminöse Biokeramik aufgrund der bereits eingangs erwähnten besseren Eigenschaften im Vergleich zu üblichen Implantatmaterialien noch aussteht.

Abbildung 4: Phasendiagramm von CaO -TiO2. CaTiO3

findet sich bei 59% wt CaO und 41% wt TiO2 [7]

Abbildung 5: Links: Perowskitstruktur von CaTiO 3 zentriert um ein Ti Ion; rechts: In der Mitte jeden Kuboktaeders befindet sich ein Ca Ion, welches von acht Titan Oktaedern umgebe n wird. [8]

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3 Aufgabenstellung 3.1.1 Bestimmung der Pulvermengen für 5 mm hohe Pro benzylinder mit einem

Durchmesser von 20 mm (Porosität: 15%, 30%, 45%, 60 %, 75%) 3.1.2 Erarbeitung eines Prozessprofils (Zeit, Tempe ratur, Presskraft (kN), …) für

die Herstellung der Probe 3.1.3 Erstellung einer micro-CT Analyse der Porengr öße und Verteilung

4 Quellen

[1] nach „Feldaktives Sintern „FAST“ – ein neues Verfahren zur Herstellung metallischer und keramischer Sinterwerkstoffe“, Heinz U. Kessel, Jürgen Hennicke, Jürgen Schmidt, Thomas Weißgräber, Bernd F. Kieback, Matthias Herrmann, Jan Räthel

[2] Park J. - Bioceramics: Properties, Characterizations and Applications, Springer 2008, 235

[3] Wang Y., Liebermann R. C. - Phys. Chem. Miner. (1993), 20: 147 [4] Guyrot F., Richet P., Courtial P., Gillet P.. Phys. Chem. Miner. (1993), 20: 141 [5] Yokokawa H., Kawada T., and Dokiya M. J. - Thermodynamic regularities in perovskite

and K2NiF4 compounds. Am. Ceram. Soc. Bull. (1989), 72: 152-153 [6] Pfaff G. - Synthesis of calcium titanate powders by the sol-gel process. Chem. Mater.

(1994), 6: 58-62 [7] Wilkins A. J. A, Wilkins A. L. J. - A re-examination of the system CaO-TiO2 at liquidus

temperatures. Less-Common Met. (1970), 20:273-279 [8] Barsoum M. W. - Fundamentals of ceramics (2003). Inst. of Physics Pub.