Zr基非晶合金的3D打印成型及其力学性能与生物相容性研究

发布时间：2020-07-10 19:21

【摘要】：Zr基非晶合金具有强度高、弹性极限高、弹性模量低等优异的力学性能及较好的耐腐蚀性能,并且具有良好的生物相容性。但其存在成型尺寸有限,成型方法单一,对于复杂形状构件的加工成型十分困难的问题。3D打印作为近几年兴起的先进制造技术,样品的成型尺寸和形状不受限制,为上述问题的解决提供了一种新的途径。本文通过小型金属粉末真空雾化装置制备了Zr_(60.14)Cu_(22.31)Fe_(4.85)Al_(9.7)Ag_3非晶合金粉末,采用选择性激光熔化(SLM)技术实现了Zr_(60.14)Cu_(22.31)Fe_(4.85)Al_(9.7)Ag_3非晶合金的3D打印成型,确定了最优的3D打印工艺参数。利用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线断层扫描(XRT)、万能试验机、摩擦磨损试验机、电化学工作站、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、细胞增殖、细胞形貌观察、抗菌实验等实验手段系统研究了3D打印样品的结构特征、力学性能、摩擦性能、腐蚀性能、生物相容性及抗菌性。结果表明,3D打印非晶合金的非晶含量为94.7±0.6%,致密度达到99.78%,孔径主要在50μm以下;对于Φ3mm×6mm试样,压缩强度为1770±17 MPa,塑性0.46±0.03%,断裂韧性K_Q 36.3±1.9 MPa m~(1/2),与同成分铸态非晶合金相比,断裂强度基本保持不变,塑性略有减小,断裂韧性下降较为明显,分析认为这主要是由于热影响区内存在少量晶化。与Ti6Al4V合金相比,3D打印非晶合金在干态条件下明显具有更为优异的摩擦性能,在SBF溶液中,3D打印非晶合金的摩擦系数及磨损速率略高于Ti6Al4V合金。极化曲线测试表明3D打印非晶合金的点蚀电位有些下降,钝化区间有所减小,但具有更低的钝化电流密度,有利于钝化膜在其表面形成,同时浸泡实验显示3D打印样品的离子析出浓度远低于临界值,反映出其较好的腐蚀性能及对人体的安全性。此外,与Ti6Al4V合金相比,3D打印非晶合金更有利于细胞的增殖,且细胞在其表面呈现均匀粘附的形貌,意味着其具有良好的生物相容性,同时3D打印非晶合金对细菌具有一定的抑制作用,表明其具有一定的抗菌性,这主要是由于该体系中含有少量的抗菌元素Ag。最后,我们制备出具有多孔构型的非晶合金生物构件,发现多孔结构在降低弹性模量的同时,依然保持了较高的强度,并且非常有利于细胞的增殖。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8
【图文】：

曲线,块体非晶合金,Zr基非晶合金,生物材料

图 1-1 块体非晶合金和几种传统医用金属材料的力学性能[14]1 Mechanical properties of bulk metallic glasses and several traditional biomedical r 基非晶合金作为生物材料的研究现状Zr 基非晶合金的力学性能各种生理环境下服役时，生物材料会收到来自周围组织、血管壁和骨因此对其力学性能有一定的要求。如表1-1所示，Zr基非晶合金的硬传统医用金属材料（316L不锈钢、Ti及Ti合金）的2~3倍，屈服强度也用金属材料。图1-3为三种无Ni型Zr基非晶合金的压缩应力应变曲线三种Zr基非晶合金的屈服强度超过了1300MPa，断裂强度超过了160现出相当大的塑性应变及~2%的弹性应变[15]。除以上特点外，Zr基非模量在 70-80GPa ，远低于 316L不锈钢（ ~200GPa ）和 Ti6Al

曲线,Zr基非晶合金,压缩应力,曲线

图 1-2 三种无 Ni 型 Zr 基非晶合金的压缩应力—应变曲线[15]. 1-2 Compressive stress strain curves of three Ni-free Zr-based BMG非晶合金的腐蚀性能在各种生理溶液中对Zr基非晶合金的腐蚀行为进行了研nk's溶液[30]，0.9% NaCl盐溶液[31]，Ringer's溶液[16]，人工些情况下，Zr基非晶合金具有比传统医用金属材料更低蚀电位，表明Zr基非晶合金具有优异的耐腐蚀性能[18, 19]合金的表面会形成一层钝化膜，这层钝化膜主要由ZrO2体的作用，从而提高了Zr基非晶合金的抗腐蚀性能。此Ag[35]有利于提高Zr基非晶合金的抗点蚀能力。非晶合金的生物相容性应用中使用的生物材料来说，良好的生物相容性是避免

植入物,计算机生成,下颌骨,人工骨

1.4.1 3D 打印概述3D打印，又称增材制造（Additive Manufacturing），是近些年来新兴的先进制造技术。与传统制造技术相比，其以数字化模型为基础，通过逐层堆叠的方式制造产品，可实现较高的精度及复杂构件的直接成形。3D打印技术的种类有很多，包括光固化立体成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、三维打印黏结成型（3DP）、选择性激光烧结（SLS）、多头喷射技术（PolyJet）、数字光处理技术（DLP）和分层实体制造（LOM）等。目前，3D 打印技术已广泛应用于航空航天、汽车、电子、生物医学、首饰、游戏、建筑、教育等众多领域。将 3D 打印技术应用于医疗领域，可以实现患者的个性化定制。2012 年，Jules Poukens 博士和他的团队在比利时成功的将世界上第一个运用 3D 打印技术制造的下颌骨植入患者体内，图 1-3 为计算机生成的病人下颌骨 3D 模型及 3D 打印的植入物。

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