钛基层状多孔材料的制备及压缩力学性能研究
发布时间：2020-12-10 03:50
钛及钛合金由于具有低密度,高强度,良好的生物相容性及较好的耐腐蚀性,被广泛应用于医疗领域。钛及钛合金被应用于骨修复领域时,其与骨之间杨氏模量的巨大差异将导致“应力屏蔽”效应,进一步引起骨吸收和植入物松动,导致植入物失效。多孔化为降低钛合金模量的有效途径之一,并且由于人体松质骨的孔结构多为层状结构,因此制备出高强度的层状多孔钛及钛合金成为当前的研究热点之一。本文通过定向冷冻干燥法制备了层状多孔Ti6A14V合金,研究了固含量、冷冻温度对多孔材料孔形貌、收缩率、孔隙率、孔尺寸以及压缩力学性能的影响;在此基础上,制备了多孔Ti6A14V合金/无机SiC纤维复合材料,探究了不同无机SiC纤维添加量对多孔复合材料压缩力学性能的影响。研究结果如下:（1）研究Ti6A14V合金粉末固含量、冷冻温度对多孔材料层状孔结构的影响规律。结果表明,随着Ti6A14V合金粉末固含量的增加,多孔材料的孔隙率降低,结构波长入有所升高,并且对于同一固含量的多孔材料,沿冷冻方向孔尺寸呈梯度分布,越远离冷源,结构波长入越大。随着冷冻温度的降低,多孔Ti6A14V合金的孔隙率和结构波长λ随之降低。（2）探究了层状结构对多孔...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
全髋关节和膝关节植入替代物[3]
西安理工大学工程硕士专业学位论文4合金相比非常有利，成为目前十分热门的植入物材料[18]。图1-2生物医用合金的弹性模量Fig.1-2Modulusofelasticityofbiomedicalalloy1.3医用多孔钛及钛合金的研究进展尝试将钛及钛合金用于植入物材料的历史可以追溯到20世纪30年代末，当时发现钛在猫的股骨中像其他植入材料(不锈钢和CoCrMo合金)一样具有良好的耐受性。商业上纯的Ti和Ti6Al4V(TC4)是最常用于植入物应用的钛材料。虽然Ti-6Al-4V刚开始的研发是为了满足航空航天应用的需求，但由于其在生物方面优异的性能使其进入生物医学行业。除了植入物应用之外，钛合金还用于保健品，例如轮椅、假肢、假腿等，因为它们具有优异的相容性和非过敏性。1.3.1医用钛及钛合金的力学性能钛及钛合金具有低密度，高强度，优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性[3;19;20]。钛合金的强度非常接近316LSS，其密度却比钢低55%，因此，当使用比强度进行比较时，钛合金的性能优于任何其他植入材料。钛及钛合金在生物医疗领域的应用范围广泛，包括用于正畸外科的牙科植入物和部件，用于髋部、膝部、脊柱、肩部、肘部等人体的关节置换部件，诸如钉子、螺钉和螺母等骨固定材料，用于起搏器和人造心脏瓣膜的外壳装置，外科手术高速血液离心机中的仪器和部件[21]。纯钛具有较差的剪切强度，因此不太适合于骨螺钉、板和类似应用。纯钛在其自身之间或与其他金属之间摩擦时也会受到严重磨损。然而材料的机械、磨损和腐蚀性质在很大程度上取决于其微观结构，钛合金可根据合金化和热机械加工实现广泛的微观结构，具有一定优势。这使得钛合金非常适合根据特定要求定制其性能。1.3.2医用多孔钛及钛合金的制备方法钛及钛合金优异的性能使它们成为具有广阔前景的骨植入材料之一[
效途径之一[27;28]。目前，多孔钛及钛合金的制备工艺主要有聚合物模板复制法[29]、造孔剂法[30-32]、3D打印[33]和冷冻干燥法[34]等。采用模板复制法和造孔剂法制备层状结构的多孔钛合金时存在较大的难度；3D打印可以制备出层状孔结构，但制备的孔径偏大且层状孔多为规整结构。冷冻干燥法是获得多孔陶瓷的常用方法，其原理为：溶剂定向生长排出浆料中的溶质颗粒，并使其堆积在结晶的溶剂之间，随后在低压条件下干燥处理，使溶剂完全升华后形成多孔坯体，最后将多孔坯体进行烧结，得到以冰晶结构为模板的多孔材料。如图1-3(a)(b)所示，为采用冷冻干燥法制备的具有随机取向的Al2O3层状多孔结构，且这种结构与自然骨的孔结构(图1-3(c))更为相似。图1-3冷冻干燥法制备的层状孔结构与自然骨的孔结构。(a)(b)Al2O3孔结构[35];(c)为自然骨形貌Fig.1-3Layeredporestructureandnaturalboneporestructurepreparedbyfreeze-casting.(a)(b)Al2O3porestructure[35];(c)Naturalmorphology1.4冷冻干燥制备多孔钛及钛合金概述开发一种具有高孔隙率和高强度的层状多孔钛及钛合金是目前研究的热点，而冷冻干燥法所制备出的材料具有片层取向随机、孔壁雹通孔率高和层间距广泛等特点，并且所获得的随机取向的孔结构更接近自然骨的层状结构，故引起国内外学者的关注。1.4.1冷冻干燥原理冷冻干燥工艺首先应用于制备多孔陶瓷，是获取具有层状结构的多孔陶瓷的典型方法[36]。其原理为：首先将液体悬浮浆料(水基和非水基)冷冻，使浆料中的溶剂转变为特殊形态的“冰晶”，并将固体粉末颗粒排挤到晶间位置，随后在低压下将溶剂从固态升华到气态排出，以去除凝固相溶剂，得到疏松的多孔材料的预制体，最后将预制体进行致密化烧结，从而制备出多孔材
本文编号：2908033
【文章来源】：西安理工大学陕西省
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【学位级别】：硕士
【图文】：
全髋关节和膝关节植入替代物[3]
西安理工大学工程硕士专业学位论文4合金相比非常有利，成为目前十分热门的植入物材料[18]。图1-2生物医用合金的弹性模量Fig.1-2Modulusofelasticityofbiomedicalalloy1.3医用多孔钛及钛合金的研究进展尝试将钛及钛合金用于植入物材料的历史可以追溯到20世纪30年代末，当时发现钛在猫的股骨中像其他植入材料(不锈钢和CoCrMo合金)一样具有良好的耐受性。商业上纯的Ti和Ti6Al4V(TC4)是最常用于植入物应用的钛材料。虽然Ti-6Al-4V刚开始的研发是为了满足航空航天应用的需求，但由于其在生物方面优异的性能使其进入生物医学行业。除了植入物应用之外，钛合金还用于保健品，例如轮椅、假肢、假腿等，因为它们具有优异的相容性和非过敏性。1.3.1医用钛及钛合金的力学性能钛及钛合金具有低密度，高强度，优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性[3;19;20]。钛合金的强度非常接近316LSS，其密度却比钢低55%，因此，当使用比强度进行比较时，钛合金的性能优于任何其他植入材料。钛及钛合金在生物医疗领域的应用范围广泛，包括用于正畸外科的牙科植入物和部件，用于髋部、膝部、脊柱、肩部、肘部等人体的关节置换部件，诸如钉子、螺钉和螺母等骨固定材料，用于起搏器和人造心脏瓣膜的外壳装置，外科手术高速血液离心机中的仪器和部件[21]。纯钛具有较差的剪切强度，因此不太适合于骨螺钉、板和类似应用。纯钛在其自身之间或与其他金属之间摩擦时也会受到严重磨损。然而材料的机械、磨损和腐蚀性质在很大程度上取决于其微观结构，钛合金可根据合金化和热机械加工实现广泛的微观结构，具有一定优势。这使得钛合金非常适合根据特定要求定制其性能。1.3.2医用多孔钛及钛合金的制备方法钛及钛合金优异的性能使它们成为具有广阔前景的骨植入材料之一[
效途径之一[27;28]。目前，多孔钛及钛合金的制备工艺主要有聚合物模板复制法[29]、造孔剂法[30-32]、3D打印[33]和冷冻干燥法[34]等。采用模板复制法和造孔剂法制备层状结构的多孔钛合金时存在较大的难度；3D打印可以制备出层状孔结构，但制备的孔径偏大且层状孔多为规整结构。冷冻干燥法是获得多孔陶瓷的常用方法，其原理为：溶剂定向生长排出浆料中的溶质颗粒，并使其堆积在结晶的溶剂之间，随后在低压条件下干燥处理，使溶剂完全升华后形成多孔坯体，最后将多孔坯体进行烧结，得到以冰晶结构为模板的多孔材料。如图1-3(a)(b)所示，为采用冷冻干燥法制备的具有随机取向的Al2O3层状多孔结构，且这种结构与自然骨的孔结构(图1-3(c))更为相似。图1-3冷冻干燥法制备的层状孔结构与自然骨的孔结构。(a)(b)Al2O3孔结构[35];(c)为自然骨形貌Fig.1-3Layeredporestructureandnaturalboneporestructurepreparedbyfreeze-casting.(a)(b)Al2O3porestructure[35];(c)Naturalmorphology1.4冷冻干燥制备多孔钛及钛合金概述开发一种具有高孔隙率和高强度的层状多孔钛及钛合金是目前研究的热点，而冷冻干燥法所制备出的材料具有片层取向随机、孔壁雹通孔率高和层间距广泛等特点，并且所获得的随机取向的孔结构更接近自然骨的层状结构，故引起国内外学者的关注。1.4.1冷冻干燥原理冷冻干燥工艺首先应用于制备多孔陶瓷，是获取具有层状结构的多孔陶瓷的典型方法[36]。其原理为：首先将液体悬浮浆料(水基和非水基)冷冻，使浆料中的溶剂转变为特殊形态的“冰晶”，并将固体粉末颗粒排挤到晶间位置，随后在低压下将溶剂从固态升华到气态排出，以去除凝固相溶剂，得到疏松的多孔材料的预制体，最后将预制体进行致密化烧结，从而制备出多孔材
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