Ultrashort Pulsed Laser Processing of Zirconia-based Ceramics for Implant Applications

Promovendus/a: Jide Han

Promotor(en): Prof. dr. Sylvie Castagne, Prof. dr. Annabel Braem

Zirkonium-gebaseerde keramiek blinkt uit als uitstekend materiaal voor implantaattoepassingen vanwege hun biocompatibiliteit, hoge taaiheid, sterkte en esthetische aantrekkingskracht. Laseroppervlakte-texturering biedt een veelbelovende techniek om implantaatmateriaaloppervlakken aan te passen om specifieke functies te bereiken. Het onderzoek begon met het onderzoeken van hoe zirkonium-aluminiumoxide nanocomposieten reageerden op ultrakorte laserpulsen. Verrassend genoeg, ondanks het feit dat zirkonium een hoger smeltpunt heeft dan aluminiumoxide, smolt de zirkoniumfase wanneer deze werd blootgesteld aan een enkele laserpuls, terwijl het aluminiumoxide in een vaste toestand bleef. Via theoretische modellering hebben we vastgesteld dat de absorptie van laserenergie sterk werd beïnvloed door de bandkloof van het materiaal. De kleinere bandkloof van zirkonium stelde het in staat om veel meer laserenergie te absorberen dan aluminiumoxide. Dit verklaart waarom zirkonium veel hogere temperaturen kon bereiken dan aluminiumoxide wanneer het werd blootgesteld aan ultrakorte gepulseerde laserbestraling. Hierdoor konden we gelukkig de zirkoniumfase selectief verwijderen van het oppervlak van het composietmateriaal zonder schade aan de aluminafase te veroorzaken. In dit onderzoek hebben we ook onderzocht hoe verschillende laserparameters en materiaalsamenstellingen van invloed zouden zijn op de prestaties van lasersnijden. Daarnaast benadrukte het parametrische onderzoek de kwetsbaarheid van zirkonium-aluminiumoxide nanocomposieten voor thermische scheuren. Ten slotte evalueerde het onderzoek het effect van laseroppervlaktetexturering op de mechanische sterkte van het composietmateriaal. Er werd waargenomen dat na laseroppervlaktetexturering de buigsterkte afnam als gevolg van thermische scheuren. Gelukkig verbeterde laseroppervlaktetexturering van voor-vergist materiaal gevolgd door sinteren aanzienlijk de buigsterkte van het materiaal.