激光熔覆碳纳米管增强生物陶瓷涂层的制备与研究

发布时间：2019-02-15 02:45

【摘要】：以80%CaHPO_4·2H2O和20%CaCO_3混合粉末为涂层原材料,以碳纳米管作为陶瓷涂层的增韧相,i LS-YC-30ANd:YAG激光器进行激光熔覆,在钛合金表面制备碳纳米管增强的羟基磷灰石生物陶瓷复合涂层。本文探讨了原料粉末配比、激光功率、扫描速度等条件对涂层生成物相的影响规律,并对该涂层材料的机械和生物学性能进行评价。(1)原材料混合粉末的制备。首先对碳纳米管进行纯化和分散处理,将CNTs、CaHPO_4·2H2O和CaCO_3按比例进行混合和干燥,制备出陶瓷涂层原材料;以同样的方法将钛粉和CaHPO_4·2H2O、CaCO_3混合粉末以1:1的比例进行混合,再添加碳纳米管,制备出过渡层,对混合粉末进行初步表征。观察混合粉末的扫描电镜图片发现,碳纳米管浓度较低时,含量太少,观察不明显;高于15%后,碳纳米管开始团聚;浓度为10%时,碳纳米管与原材料粉末的结合程度最好。(2)激光熔覆制备生物陶瓷涂层的工艺研究。对不同工艺参数下生物陶瓷涂层的宏观形貌、物相、组织结构等进行分析,确定最佳激光熔覆工艺参数。实验发现,只有在输出功率在600-1500W,扫描速度在1-4mm/s时,才能制备出外观质量合格的激光熔覆层。当扫描速率为1mm/s、激光功率为600W时,羟基磷灰石开始出现,随着激光功率的提升,羟基磷灰石的含量逐渐增加;当激光功率升至900-1100W时,羟基磷灰石成为主相;当激光功率达到1200 W后,羟基磷灰石含量逐渐减少,焦磷酸钙逐渐增加,且熔覆层开始出现烧损。在本实验条件下最佳工艺参数为:扫描速度V=1 mm/s,激光功率P=1000W,光斑直径D=4 mm。(3)生物陶瓷复合涂层力学性能及耐蚀性的研究。对生物陶瓷复合涂层的显微硬度、结合强度、拉伸强度、弯曲强度、弹性模量及耐蚀性进行测试与分析,发现碳纳米管对生物陶瓷涂层力学性能的增强作用明显。涂层的显微硬度提高明显,最高可达885MPa,涂层与基体的结合强度在42.0MPa以上,拉伸强度为888.2MPa,弯曲强度为443.0MPa,弹性模量为146.76GPa。耐蚀性测试实验表明,生物陶瓷复合涂层在三种溶液中均表现出良好的耐蚀性,涂层表面没有明显的腐蚀产物附着特征。(4)生物陶瓷复合涂层生物学性能的研究。在模拟体液中浸泡后的生物陶瓷复合涂层表面有类骨磷灰石形成,具有良好的生物活性与生物相容性。由此可见,利用激光熔覆技术在钛合金表面制备碳纳米管增强的生物陶瓷复合涂层与基体间形成了冶金结合,具有较好的机械性能和生物学性能,是一种前景广阔的生物硬组织替代材料。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：河南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.453

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本文编号：2422880