梯度生物活性涂层材料激光快速成形制备技术及其理化性能初步研究

发布时间：2020-07-18 20:01

【摘要】： 为了改善钛金属植入材料生物活性差,植入体内后与骨组织无法形成骨性结合的不足,本研究引入梯度功能性材料(Functionally Gradient Materials, FGM)的概念,尝试通过激光快速成形技术将生物活性陶瓷材料熔覆在纯钛金属表面制备梯度生物活性涂层材料,筛选适合制备激光快速成形梯度生物活性涂层材料的粉末原料和工艺参数,然后在此基础上对成形涂层的物相、微观组织结构、结合力、物理、化学和力学性能进行检测和评价,期望建立激光制备梯度生物活性涂层材料新方法。为进一步研究制备可完全替代和修复生物体硬组织并应用于临床的功能梯度生物材料打下良好的研究基础。 研究方法: 1.通过统计学正交设计和析因设计的方法对激光快速成形工艺参数和原料粉末进行优选; 2.通过X射线衍射、扫描电镜和能谱分析仪,分析激光快速成形梯度生物活性涂层材料微观组织结构、元素组成和物相成分; 3.根据国家标准,对激光快速成形梯度生物活性涂层材料进行结合力和硬度分析; 研究结果: 1.激光功率800W,扫描速度200mm/min、送粉量3.0g/min、搭接率为35%的工艺参数和屑形HA(50-100目)粉末原料适合直接熔覆法制备梯度生物活性涂层,成形的涂层试件宏观和微观结构均较佳,未见明显缺陷存在,晶相定向无序排列,成分从基材到试件表面呈渐变梯度分布。但是,对试件的元素组成及物相成分检测分析表明,Ca元素在成形过程中完全损失,成形后的试件中不能生成预想的生物活性陶瓷成分,从而无法形成梯度生物活性涂层,对于如何形成预想的梯度生物活性涂层必须寻找新的方法。 2.激光功率400W,扫描速度100mm/min、送粉量3.0g/min、搭接率为35%的工艺参数和80wt%CaHPO4·2H2O +20wt% CaCO3混合粉末原料适合原位合成法制备梯度生物活性涂层。成形涂层物相为生物活性陶瓷TCP,成形的涂层宏观形貌较佳,未见明显缺陷存在,扫描电镜显示生物活性涂层分为陶瓷层、过渡层以及基材3个层次,组织为致密的发达胞状晶,大小形状不规则,排列方向无序,组织结构从陶瓷层到基材呈梯度变化,涂层的硬度最高为500 HV0.1 ,平均硬度为431.2HV0.1,涂层和基体界面结合力达到了40.17 MPa,大于等离子喷涂陶瓷涂层与基材的结合力。 结论 以CaHPO4·2H2O和CaCO3粉末为原料,采用激光快速成形原位合成法,在纯钛金属表面成功制备了梯度生物活性涂层材料,成形涂层的物相、微观组织结构、结合力、物理、化学和力学性能检测结果均较理想,这表明激光快速成形技术可以制备梯度生物活性涂层,达到了预期目的,并为下一步的生物学实验提供了良好的理论指导和技术支持。
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：R783.1
【图文】：

性质和功能也随之呈梯度变化，图1为梯度生物功能材能性梯度材料具有均质复合材料和单纯涂层材料无法比拟的连续分布、形态以及要素的共扼结合方式等特征使材料分布形式出现，并可能具有复数功能。功能性梯度材料材材料位置不同而变化，强调材料整体功能最优化。它的两同性能的材料组成，微观部分的结构形成原子、分子的连了不同材料结合的性能不匹配因素。比如在陶瓷和金属之内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面具有耐热应力强度和机械强度均较好的新功能。与此同时者袁润章[66]等也提出功能梯度材料的概念并展开研究。采缓和涂层内应力，适当提高涂层厚度，同时可以解决涂层强度不足的问题，因此，制备生物活性涂层材料成为国内。

c：非球形 HA 粉 d：Y2O3粉末图 3 不同形貌原料粉末扫描电镜照片a：单层单道熔覆试件高度 b：单层单道熔覆试件宽度图 4 定量金相显微镜下单层和单道的剖面

定量金相显微镜下单层和单道的剖面

【参考文献】

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本文编号：2761363