SPS制备Ti-35Nb-7Zr-5Ta医用材料的组织及性能研究

发布时间：2020-03-26 18:31

【摘要】：钛合金拥有较为优异的力学性能、耐磨和耐腐蚀性能,是目前应用最广泛的金属植入材料。然而,目前使用的钛合金生物植入材料仍存在弹性模量较高、生物活性较差以及部分材料在人体内可能会释放出有毒元素等不足。因此,本文选择弹性模量最低的无毒性的β型Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金,通过添加造孔剂NH_4HCO_3制备多孔结构降低弹性模量,通过碱的表面处理或添加HA制备β-Ti基复合材料增加生物活性,从而制备出低弹性模量、高生物活性、无毒性的人工骨植入材料。本文采用了放电等离子烧结(SPS)技术制备了不同性能的Ti-35Nb-7Zr-5Ta植入材料,研究了材料的相对密度、微观组织、弹性模量、抗压强度及生物活性。在不同的烧结温度下,Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的相对密度均随着烧结温度的升高而升高。该钛合金都是由β-Ti和少量的α-Ti、Nb、Ta相组成,并且随着烧结温度的升高元素扩散更加均匀,使β-Ti相增加,α-Ti、Nb、Ta相减少。烧结温度的升高,材料的弹性模量从43GPa上升到53GPa,高于人骨。其抗压强度从1563MPa升高至1777MPa。钛合金在模拟体液(SBF)中浸泡表现出生物惰性,而经过不同浓度的NaOH处理的钛合金均提高了生物活性,其中10mol/L的NaOH处理后的钛合金生物活性最佳。(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)-HA复合材料的相对密度随着烧结温度的升高逐渐增加,随着HA含量的增加逐渐降低。复合材料的相均是由β-Ti、α-Ti及新形成的陶瓷相CaZrO_3、CaO、Ti_2O、Ti_5P_3和Ca_3(PO_4)_2组成。复合材料的弹性模量在30-95GPa范围变化,略高于人骨,需进一步降低。其抗压强度在593-1978MPa之间变化,抗压强度满足植入要求。添加HA的复合材料均具有一定的生物活性,随着烧结温度的升高,生物活性逐渐降低,随着HA含量的增加,生物活性逐渐提高。950℃下添加15wt.%HA复合材料的力学性能和生物活性满足植入材料的要求。多孔Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的开孔率随着烧结温度的升高逐渐下降,随着NH_4HCO_3含量的增加逐渐上升。多孔结构主要由NH_4HCO_3分解留下的大孔和烧结不致密留下的小孔相互连通而成。多孔钛合金的相都是由β-Ti、α-Ti、Nb、Ta组成。多孔钛合金的弹性模量,能在1.1-6.0GPa范围内调控,与人骨适配。但其抗压强度在32-160MPa范围内变化,略低于人骨。多孔钛合金在SBF中浸泡均表现出生物惰性,而经过不同浓度的NaOH处理的钛合金表面展现出了很高的生物性,其中10mol/L的NaOH处理后的钛合金表面形成多层致密的类骨磷灰石。多孔(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)-HA复合材料的密度随着NH_4HCO_3含量的升高逐渐降低,随着HA含量的升高逐渐升高。该材料的相都是由β-Ti、α-Ti及新形成的陶瓷相Ti_2O、CaZrO_3、CaO、Ti_5P_3组成。多孔复合材料的弹性模量,在12-52GPa范围内变化,能实现与人骨匹配。该材料的抗压强度在255-1696MPa变化,满足植入要求。因此,多孔复合材料具有优异的力学相容性。添加HA的多孔复合材料均具有一定的生物活性,随着NH_4HCO_3和HA含量的升高,生物活性逐渐提高,但生物活性不如碱处理工艺的效果好,有待进一步提高。综上所述,使用SPS技术制备的以β-Ti为基体的无毒性多孔(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)-HA复合材料,具有与人体适配的力学性能,又具有较好的生物活性,是综合性能优异的生物植入材料,具有潜在的应用价值。
【图文】：

材料的发展现状及趋势合金生物材料的发展入材料用于人体相对较早，如图 1.1 所示。在公已经损伤的牙齿，1588 年人类就学会了对破损的字记载患者骨折后医生用金属将其固定[16]。不锈钢，但人们发现其摩擦学特性较差，容易磨损，导致开发了钴铬钼合金（VitalliumPC），以解决耐磨性物的尝试可以追溯到 20 世纪 30 年代后期，医生的股骨，，四十年代通过生物实验学者开始探究在生研究者已近发现在生物体内金属材料几乎不发生

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文相关疾病，如皮炎。而动物活体试验研究也证明了，Co 具有316L 不锈钢（200GPa）和 Cr-Co 合金（230GPa）具有比人骨应力屏蔽效应存在，引发植入材料失效[22]。合金生物材料的发展种过渡金属元素，其最外层电子为 3d24s2，最外层电子未完全固溶体。钛的熔点较高，达到 1678℃。金属钛的同素异形体方密堆积结构（hcp）的 α 相（见图 1.2a），当温度升到 882.5构（bcc）的 β 相（见图 1.2b）。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.23;R318.08

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 田中青;陈维玲;崔丽丽;;固有烧结温度低的微波介质陶瓷[J];山东陶瓷;2008年02期

2 SUSAN W.STEERE;华渊;;电瓷材料中的偏硅酸铅[J];电瓷避雷器;1987年04期

3 周玉,雷廷权,刘国斌,曹希宾;烧结温度对全稳定ZrO_2陶瓷显微结构及性能的影响[J];硅酸盐学报;1988年01期

4 李晋尧;Ta粉的烧结温度及性能的研究[J];稀有金属材料与工程;1988年04期

5 ;细磨长石对瓷材料工艺性能及烧结的影响[J];电瓷避雷器;1988年04期

6 饶东生,林彬荫,朱伯铨;降低高纯氧化镁烧结温度的研究[J];硅酸盐学报;1989年01期

7 L.L.Bourgujgnon ,王勇;烧结温度对高比重钨合金的响影[J];兵器材料科学与工程;1989年09期

8 Sajedeh MOHAMMADI AREF;Mohammad GHAFOURI;;陶瓷-高分子复合薄膜的电物理性能随烧结温度的变化（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2018年03期

9 范兴平;杨成;;烧结温度对生物医用钛基复合材料性能的影响[J];粉末冶金工业;2016年06期

10 郑玉凯;蔡一湘;陈峰;闫志巧;罗兵辉;;烧结温度对10TiB/Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe复合材料组织与性能的影响[J];粉末冶金材料科学与工程;2013年04期

相关会议论文 前10条

1 曾宪礼;;超细α-Al_2O_3粉对95瓷烧结温度的影响[A];2002年电子陶瓷及其在真空电子行业中应用技术交流会论文集[C];2002年

2 左起亮;林锋;王彬;张志升;傅挥;肖云;;烧结温度和程序改变对二硅酸锂玻璃陶瓷微观物理性状的影响[A];第十二次全国口腔修复学学术会议论文汇编[C];2018年

3 欧阳德刚;王海清;胡铁山;赵修建;;烧结温度对Fe_2O_3基材料辐射性能的影响[A];第十一届全国红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集[C];2007年

4 宫勋;孟秀霞;杨乃涛;谭小耀;尹屹梅;马紫峰;;YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维烧结温度优化及其影响[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

5 李彪;娄延春;于波;苏贵桥;刘孝福;金磊;宋照伟;;烧结温度对氧化铝基陶瓷型芯性能的影响[A];2019中国铸造活动周论文集[C];2019年

6 李纪标;翟学良;申玉双;杨芙丽;;烧结温度对Ba_xSr_(1-x)TiO_3薄膜性能的影响[A];2005年全国电子显微学会议论文集[C];2005年

7 陈玮;尹周澜;马艳红;王锦;刘新红;;烧结温度对拟薄水铝石凝胶颗粒性能的影响[A];中国颗粒学会2004年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会会议文集[C];2004年

8 沈慧英;于岩;;烧结温度对铝厂污泥研制的莫来石刚玉复相材料晶相结构的影响[A];中国硅酸盐学会陶瓷分会2006学术年会论文专辑（上）[C];2006年

9 王帅;聂丹;高帅波;陈晨;邢鹏飞;都兴红;;烧结温度对碳化硼废料制备烧结制品的影响[A];第26届全国铁合金学术研讨会论文集（下册）[C];2018年

10 周文博;张有凤;李万国;孙世举;闫子豪;;烧结温度对LiTaO_3陶瓷显微组织结构的影响[A];第十九届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2016年

相关博士学位论文 前10条

1 艾明星;钛铝碳及铜/钛铝碳复合材料[D];北京交通大学;2007年

2 Le Van Khoa Bao;基于粉体燃烧凝胶合成LSMO可变发射率材料结构及性能[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 岳敏;污泥的粉煤灰调理和污泥陶粒的制备及应用研究[D];山东大学;2011年

4 燕克兰;锰酸锶镧的掺杂改性与双负机理[D];山东大学;2015年

5 程利霞;碳化钛陶瓷的放电等离子烧结及性能研究[D];清华大学;2014年

6 乔丽娜;TiN_(0.3)与难熔化合物界面扩散行为及强韧化的研究[D];燕山大学;2016年

7 张继广;煤转化过程中灰的熔融特性与煤中矿物质的变迁规律[D];重庆大学;2015年

8 雷研;铌钛酸盐体系微波介质陶瓷的制备与性能研究[D];中国海洋大学;2011年

9 陆斌;掺钕钇铝石榴石光学陶瓷微观结构体视学研究[D];长春理工大学;2008年

10 史国普;金属及稀土氧化物掺杂Ti/Al_2O_3复合材料可控制备及其机理研究[D];山东大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘凯歌;SPS制备Ti-35Nb-7Zr-5Ta医用材料的组织及性能研究[D];华中科技大学;2019年

2 耿菖健;不同晶体结构MC_x制备及其对高熵化合物的影响研究[D];燕山大学;2019年

3 于惠玲;回流烧结台氮气保护控制系统研究[D];西安工业大学;2019年

4 孙承琳;Mo-20wt%Cu复合材料的制备及其性能研究[D];西安理工大学;2019年

5 王莲莲;Al-Mg-Ti复合材料的制备及组织性能研究[D];湖北工业大学;2019年

6 刘倩;TiN-Ti/Al_2O_3复合材料的制备及性能研究[D];济南大学;2018年

7 赵薇;粉末冶金法制备WC基高耐磨陶瓷复合材料[D];大连理工大学;2018年

8 吴林春;基于燃烧合成的几种热电单臂的超快速制备及性能[D];武汉理工大学;2016年

9 胡龙虎;（K_2O-Al_2O_3-SiO_2）系低介电陶瓷的性能研究[D];西华大学;2015年

10 秦艳荣;Na掺杂及酒精对LaFeO_(3-δ)磁学及电学性能影响的研究[D];太原理工大学;2018年

本文编号：2601803