Ultrakorte gepulseerde laserverwerking van keramiek op basis van zirkonia voor implantaattoepassingen

Zirconiumoxide-gebaseerde keramiek vertoont veelbelovend potentieel voor implantaattoepassingen vanwege hun uitstekende materiaaleigenschappen. Laseroppervlaktebewerking is een veelbelovende methode om de oppervlakte-eigenschappen van implantaten te wijzigen en zo specifieke gewenste functionaliteiten te bereiken. Dit onderzoek heeft tot doel nauwkeurige en efficiënte oppervlaktebewerking van zirconiumoxide-gebaseerde keramiek te realiseren, waarbij negatieve effecten op de materiaaleigenschappen worden geminimaliseerd en maatwerkfunctionaliteit wordt geboden voor specifieke implantaattoepassingen met behulp van ultrakorte gepulste lasers. In dit onderzoek worden drie aspecten behandeld: 1) de fundamentele studie naar de interactie van laserlicht met zirconium-aluminiumoxide nanocomposieten, inclusief theoretische modellering; 2) het gedetailleerde onderzoek naar de invloed van procesparameters en materiaalsamenstelling op de bewerkingsprestaties; en 3) de effecten van laseroppervlaktebewerking op de mechanische eigenschappen en hydrothermische veroudering van aluminiumoxide-versterkt zirkoniumoxide.

Uitgaande van een ongebruikelijk fenomeen van ongelijke fase-smelting dat werd waargenomen tijdens een enkelvoudig-puls-laserablatie-experiment, waarbij de zirconiumoxidefase met een hoger smeltpunt smolt terwijl de aluminafase vast bleef, werden de fundamentele mechanismen onderzocht die plaatsvonden tijdens de interactie van ultrakorte gepulste lasers met de nanocomposieten. Uit theoretische modellering bleek dat de zirconiumoxidefase aanzienlijk meer laserenergie absorbeerde dan de aluminafase vanwege het kleinere bandgat, als gevolg van het niet-lineaire sterke-veld-ionisatiemechanisme. De ultrakorte duur van de laserpulsen zorgde ervoor dat de energieabsorptie werd voltooid in een tijdsbestek waarin thermische diffusie een ondergeschikte rol speelde. Dit betekent dat de geabsorbeerde laserenergie geconcentreerd werd binnen individuele korrels, wat resulteerde in aanzienlijk hogere temperaturen in de zirconiumoxidekorrels in vergelijking met de alumina-korrels. Op basis van dit resultaat werd een methode voorgesteld voor het selectief verwijderen van de fase met het lagere bandgat van een composiet met behulp van ultrasnelle laser. Door de zorgvuldige controle van de toegepaste laserflux kon selectieve verwijdering van de zirconiumoxidefase worden gedemonstreerd zonder schade aan de omliggende aluminafase. Het is vermeldenswaard dat deze methode kan worden toegepast op andere composietmaterialen met bandgatcontrast tussen hun samenstellende fasen.

Naast de selectieve fase-verwijderingsmethode, die een voorbeeld is van het toepassen van ongelijke laser-verhittingsgedrag, resulteerde dit onderscheidende gedrag van ongelijke laser-verhitting ook in een uniek materiaalverwijderingsmechanisme tijdens het ultrakorte gepulste laserbewerkingsproces. Specifiek, de bovenste laag van de nanocomposiet desintegreerde als gevolg van het lokale smelten van de zirconiumoxidekorrels met een hoger smeltpunt. Dit eigenaardige fase-smeltfenomeen duidde op materiaalverwijdering onder sterke niet-evenwicht thermische omstandigheden tijdens ultrakorte gepulste laserbewerking.

Het unieke mechanisme voor materiaalverwijdering suggereert dat het wijzigen van de relatieve verhouding van de samenstellende fasen invloed kan hebben op het gedrag van materiaalverwijdering bij ultrakorte gepulste laserbewerking. Daarom werd, naast de lasermethoden, ook de invloed van de materiaalsamenstelling op de laserverwerkingprestaties onderzocht. Op basis van de resultaten werd een algemene richtlijn geboden voor de eenvoudige selectie van laserparameters om te voldoen aan specifie.