生物医用TiTaZrMoNbx高熵合金组织与性能研究
发布时间：2021-12-11 09:09
医疗健康及其相关领域对具有优异生物性能的医用金属材料有着极大的需求。但随着临床试验的不断深入,常见的医用级金属材料如医用钛合金,面临着许多因材料自身特性而引起的问题。开发和研究更多的新型医用金属材料来满足相关需求成为现阶段很多专家学者关注的焦点。在金属材料领域,传统合金材料主要是依托一种或两种主金属元素来发挥其优异的金属性能,近年来备受关注的高熵合金材料跳出了传统合金的设计思路,创新地将五种或五种以上金属元素按照等或者近似等原子配比的设计方法,开发出了许多具备优异性能的新型金属材料。因此,若将高熵合金的设计思路与策略运用到生物合金的设计与制备过程中,对开发新型生物医用金属材料将会做出有益的突破。本文结合高熵合金的典型特征“鸡尾酒效应”,将研究思路首先定位在探究Nb元素的添加对TiTaZrMoNbx高熵合金晶体结构和组织的影响,在此基础上研究Nb含量的变化对其力学性能、耐腐蚀性能、耐摩擦磨损性能的影响,具体内容如下:（1）研究了TiTaZrMoNbx高熵合金的组织结构与力学性能,合金的晶体结构为双BCC结构,对应于ZrTiNb相和Ti Nb相。随着Nb含量从x=0.25增加到x=1.5的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(TiZrNbHfTa)X高熵合金涂层的细胞活性测定[28]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-1.2生物医用高熵合金材料的研究现状由于疾并损伤等人体伤害的频繁发生，人们将更多的关注点投向医用金属材料，而高熵合金因其优异性能成为近年来最具研究潜力的医用新材料之一，并受到海内外诸多学者的探索与研究。Braic等[28]研究了(TiZrNbHfTa)N和(TiZrNbHfTa)C高熵合金作为生物医用涂层的生物及理化性能。在模拟体液中对这种涂层材料进行测试时，发现这种高熵合金涂层显著提高了基体的硬度和耐磨性能。研究发现，(TiZrNbHfTa)N高熵合金硬质涂层具有约31GPa的超高硬度，并表现出优异耐摩擦磨损性能。为了进一步验证合金在生物体的细胞活性，对其细胞存活率进行测试。将成骨细胞附着于涂层上，在培养基中培养72小时后，在样品表面仍然可以观察到有大量细胞存在(如图1-1、1-2所示)，细胞存活率达到80%以上，说明高熵合金作为生物涂层材料具有很强的生物活性。图1-1(TiZrNbHfTa)X高熵合金涂层的细胞活性测定[28]图1-2细胞接种于样品上的荧光图像a)钛合金样品;b)TiZrNbHfTa-C样品;c)TiZrNbHfTa-N样品[28]Todai等[29]基于一些理论参数包括热力学混合焓相关参数(ΔHmix)、Ω、δ、价
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-电子浓度及组元元素的生物活性设计出了一种医用级高熵合金TiNbTaZrMo。研究表明，这种高熵合金在不同的热处理工艺条件下会得到具有不同晶格常数的BCC固溶体相，而且这种高熵合金具有良好的力学性能，包括很高的强度与塑性(如图1-3所示)。经细胞培养测得此组高熵合金的细胞活性优于纯钛(如图1-4所示)。图1-3铸态与在1273K退火168小时的TiNbTaZrMo高熵合金的压缩应力-应变曲线[29]图1-4在不同合金上培养吉姆萨染色的成骨细胞图像a)SUS316L;b)CP-Ti;c)铸态TiNbTaZrMo;d)热处理后的TiNbTaZrMo;与e)培养24h后细胞密度的定量分析[29]Popescu等[30]研究了借助粉末冶金方法制备的生物医用TiZrNbTaFe高熵合金，并探究不同加工处理工艺参数(球磨时间、压紧度、烧结效果等)对高熵合金显微结构、力学性能、耐磨损性能的影响，结果如图1-5所示，该高熵合金展示出优于Ti-6Al-4V的耐腐蚀性能与更长的服役寿命，充分印证了高熵合金在生物领域的良好应用价值。图1-5高熵合金与Ti-6Al-4V的电极化曲线[30]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mo含量对Al0.1CoCrCu0.5FeNiMox高熵合金的组织结构、力学性能及耐蚀性能的影响[J]. 陶继闯,卢一平. 材料导报. 2020(08)
[2]高熵合金辐照损伤的实验研究进展[J]. 靳柯,卢晨阳,豆艳坤,贺新福,杨文. 材料导报. 2020(17)
[3]第一性原理计算Cu、Co含量对 CoCuFeNi系高熵合金的影响[J]. 王根,李新梅. 功能材料. 2020(03)
[4]高熵合金的力学性能及变形行为研究进展[J]. 李建国,黄瑞瑞,张倩,李晓雁. 力学学报. 2020(02)
[5]高熵合金AlFeCoCuTiNbx的体外血液相容性评价[J]. 喻望清,孙宇,焦二龙,肖睿,张兆钰,张雪,崔丹. 口腔医学. 2019(11)
[6]高熵合金的研究进展及发展趋势[J]. 周航,杨少锋,杨亚楠,严星,杨威,田华东. 热加工工艺. 2018(18)
[7]高熵合金在高速切削刀具上的应用及发展趋势[J]. 梁红玉,罗娟,颜雨飞. 材料导报. 2013(05)
[8]多主元高熵合金的研究现状与发展[J]. 朱海云,孙宏飞,李业超. 新材料产业. 2008(09)
本文编号：3534402
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(TiZrNbHfTa)X高熵合金涂层的细胞活性测定[28]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-1.2生物医用高熵合金材料的研究现状由于疾并损伤等人体伤害的频繁发生，人们将更多的关注点投向医用金属材料，而高熵合金因其优异性能成为近年来最具研究潜力的医用新材料之一，并受到海内外诸多学者的探索与研究。Braic等[28]研究了(TiZrNbHfTa)N和(TiZrNbHfTa)C高熵合金作为生物医用涂层的生物及理化性能。在模拟体液中对这种涂层材料进行测试时，发现这种高熵合金涂层显著提高了基体的硬度和耐磨性能。研究发现，(TiZrNbHfTa)N高熵合金硬质涂层具有约31GPa的超高硬度，并表现出优异耐摩擦磨损性能。为了进一步验证合金在生物体的细胞活性，对其细胞存活率进行测试。将成骨细胞附着于涂层上，在培养基中培养72小时后，在样品表面仍然可以观察到有大量细胞存在(如图1-1、1-2所示)，细胞存活率达到80%以上，说明高熵合金作为生物涂层材料具有很强的生物活性。图1-1(TiZrNbHfTa)X高熵合金涂层的细胞活性测定[28]图1-2细胞接种于样品上的荧光图像a)钛合金样品;b)TiZrNbHfTa-C样品;c)TiZrNbHfTa-N样品[28]Todai等[29]基于一些理论参数包括热力学混合焓相关参数(ΔHmix)、Ω、δ、价
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-电子浓度及组元元素的生物活性设计出了一种医用级高熵合金TiNbTaZrMo。研究表明，这种高熵合金在不同的热处理工艺条件下会得到具有不同晶格常数的BCC固溶体相，而且这种高熵合金具有良好的力学性能，包括很高的强度与塑性(如图1-3所示)。经细胞培养测得此组高熵合金的细胞活性优于纯钛(如图1-4所示)。图1-3铸态与在1273K退火168小时的TiNbTaZrMo高熵合金的压缩应力-应变曲线[29]图1-4在不同合金上培养吉姆萨染色的成骨细胞图像a)SUS316L;b)CP-Ti;c)铸态TiNbTaZrMo;d)热处理后的TiNbTaZrMo;与e)培养24h后细胞密度的定量分析[29]Popescu等[30]研究了借助粉末冶金方法制备的生物医用TiZrNbTaFe高熵合金，并探究不同加工处理工艺参数(球磨时间、压紧度、烧结效果等)对高熵合金显微结构、力学性能、耐磨损性能的影响，结果如图1-5所示，该高熵合金展示出优于Ti-6Al-4V的耐腐蚀性能与更长的服役寿命，充分印证了高熵合金在生物领域的良好应用价值。图1-5高熵合金与Ti-6Al-4V的电极化曲线[30]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mo含量对Al0.1CoCrCu0.5FeNiMox高熵合金的组织结构、力学性能及耐蚀性能的影响[J]. 陶继闯,卢一平. 材料导报. 2020(08)
[2]高熵合金辐照损伤的实验研究进展[J]. 靳柯,卢晨阳,豆艳坤,贺新福,杨文. 材料导报. 2020(17)
[3]第一性原理计算Cu、Co含量对 CoCuFeNi系高熵合金的影响[J]. 王根,李新梅. 功能材料. 2020(03)
[4]高熵合金的力学性能及变形行为研究进展[J]. 李建国,黄瑞瑞,张倩,李晓雁. 力学学报. 2020(02)
[5]高熵合金AlFeCoCuTiNbx的体外血液相容性评价[J]. 喻望清,孙宇,焦二龙,肖睿,张兆钰,张雪,崔丹. 口腔医学. 2019(11)
[6]高熵合金的研究进展及发展趋势[J]. 周航,杨少锋,杨亚楠,严星,杨威,田华东. 热加工工艺. 2018(18)
[7]高熵合金在高速切削刀具上的应用及发展趋势[J]. 梁红玉,罗娟,颜雨飞. 材料导报. 2013(05)
[8]多主元高熵合金的研究现状与发展[J]. 朱海云,孙宏飞,李业超. 新材料产业. 2008(09)
本文编号：3534402
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