Evaluation and Quantification of the Impact of Soaking on the Mechanical Properties of KNN

Abstract

Denne masteroppgaven har som mål å evaluere effekten av væske på de mekaniske egenskapene til 𝐾1−𝑥𝑁𝑎𝑥𝑁𝑏𝑂3 (KNN) for å bidra til utviklingen av bedre KNN baserte ortopediske implantater.

Prøvene ble prosessert gjennom konvensjonell faststoff syntese med 𝐾2𝐶𝑂3,𝑁𝑎2𝐶𝑂3 og 𝑁𝑏2𝑂5 som utgangsstoff. Kalsinering og sintring ble gjennomført på henholdsvis 825℃ og 1125℃, som resulterte i støkiometriske KNN pelleter men 93.6% relativ tetthet. Sekundærfaser i pelletene oppstod i form av wolfram-bronse struktur med enten komposisjonen 𝐾4𝑁𝑏6𝑂17 eller 𝐾2𝑁𝑏4𝑂11. Prøver ble lagt i tre forskjellige væsker over en tolvtimers periode, væskene var utrarent vann, deionisert vann og saltløsning. Saltløsningen ble valgt til å utføre ytterligere forsøk hvor prøvene var i kontakt med løsningen over en periode på 6, 24 og 72 timer. Mekaniske egenskaper ble evaluert ved bruk av nanofordypning med 8000𝜇𝑁 maksimum belastning og mikrofordypning i samspill med en Vickers hardhetstest. Hardheten før kontakt med væske var i gjennomsnitt 12.28GPa for nanofordypning og 3.48GPa for Vickers hardhet. Kjemiske egenskaper ble etterforsket gjennom Raman spektroskopi, røntgen diffraksjon, «Grazing Incident» rønten diffraksjon, skannende elektronmikroskopi og «Energy Dispersive» røntgen spektroskopi.

Kontakt med væske resulterte i frigjøring av kalium fra prøvene til væsken uavhengig av typen væske og kontakttid, dette medførte også en sterk reduksjon i hardhet for sekundærfasene. En ujevn niob-rik skorpe oppstod på prøver som innehold sekundærfaser og på prøver som hadde vært i saltløsning i seks timer. Vickers hardhetsmålingene var variable, med økning eller reduksjon i hardhet som et resultat av mengden sekundærfase. Mekanismen bak denne effekten foreslåes å være delvis basert på introduksjonen av sprekker/defekter fra volumendringer i sekundærfasene når de kommer i kontakt med væske da de er hygroskopiske. Hardheten var uavhengig av hvor lenge prøvene var i kontakt med væske over seks timer. Det konkluderes at støkiometrisk KNN uten hygroskopiske sekundærfaser tåler forlenget kontakt med væske opptil 72 timer uten signifikante reduksjoner i mekaniske egenskaper.

This thesis aims to evaluate the effect of soaking on the mechanical properties of 𝐾1−𝑥𝑁𝑎𝑥𝑁𝑏𝑂3 (KNN) to contribute to the general effort of improving KNN-based implants in bone replacement.

The samples were processed by solid-state synthesis using 𝐾2𝐶𝑂3,𝑁𝑎2𝐶𝑂3 and 𝑁𝑏2𝑂5 as precursors. Calcination and sintering were performed at respectively 825°C and 1125°C. The resulting samples were pellets of stoichiometric KNN presenting an average 93.6% relative density. Secondary phases composed of layered tungsten-bronze type 𝐾4𝑁𝑏6𝑂17 and tungsten-bronze type 𝐾2𝑁𝑏4𝑂11 were reported. A 12-hour soaking took place in three liquids: ultra-pure water, deionized water and saline solution. The saline solution was also used to perform 6-hour, 24-hour and 72-hour soakings. The mechanical properties were evaluated with nanoindentation using 8000 µN maximum load and microindentation using a Vickers hardness test. The hardness before soaking was 12.28 GPa on average with the nanoindentation and 3.48 GPa on average for the Vickers hardness. The chemical properties were evaluated using Raman spectroscopy, X-Ray Diffraction, Grazing Incindent X-Ray Diffraction and Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy.

Independently of the soaking conditions, the soaking resulted in a release of potassium into the solution and in a decrease in hardness of several orders of magnitude in the secondary phases. An uneven Nb-rich crust formed on samples presenting secondary phases and on samples soaked for 6h in saline solution. The Vickers hardness presented variations in the results: increases and decreases that were a function of the amount of secondary phases and not of the soaking conditions. The hygroscopicity of the secondary phases was highlighted and explained. It was concluded that, based on the absence of hygroscopic behavior in the stoichiometric KNN, samples without secondary phases are able to sustain soaking up to 72h in saline solution.