抗菌Ti-Cu合金的组织与性能研究

发布时间：2020-06-01 16:57

【摘要】：在本文中,作者制备并研究了一种新型的抗菌医用金属材料Ti-Cu合金,相较于传统纯Ti,该新型合金在保持了纯Ti优秀的综合性能的基础之上,还提供了优秀的抗菌性能。作为一种传统医用金属材料,纯Ti由于其优秀的综合力学性能、良好的生物相容性以及稳定的耐蚀性能,已经在外科植入体方面得到了应用,例如骨针、骨板和口腔种植体等。但是,在外科手术中经常发生由细菌引发的植入器械感染问题,通常需要长期的抗生素治疗和复杂的手术过程来解决这种植入后的问题,从而给病患带来极大的身心上的痛苦和经济上的压力。本文通过将Cu元素添加至纯Ti中,并经过不同温度的热处理制备出了Ti-xCu(x=3,5和7%)合金,在保持了其作为植入体的基本性能的情况下,同时赋予了该合金优秀的抗菌性能,以解决临床应用中的植入后细菌感染问题,提出了新型的解决方案。对于这种新型抗菌医用金属Ti-Cu合金,本文主要对其微观组织、力学性能、抗菌性能和耐蚀性能进行了表征,并且通过HF酸蚀刻的方法对其中析出相的抗菌机制进行了初步探讨。本文中Ti-Cu合金样品的组织表征手段主要包括:X射线衍射实验(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等设备,并通过扫描电镜能谱(EDS)和透射电镜选区电子衍射实验(SDP)确定了其析出相主要为Ti2Cu。通过室温拉伸实验、显微硬度实验和断口形貌观察实验等分析方法表征了不同温度热处理后Ti-Cu合金的综合力学性能。结果表明其中在740℃退火的Ti-Cu合金展现出了优秀的综合力学性能。借助平板法体外定量抗菌实验和动电位极化测试(PD)、电化学阻抗谱(EIS)等电化学分析手段评价了Ti-Cu合金的抗菌和耐蚀性能。结果表明所有样品均展现出了对于金黄色葡萄球菌的优秀的抗菌性能。并且通过在直流电源下进行HF溶液蚀刻实验,对Ti-Cu合金中Ti_2Cu析出相和细菌生长的相对位置在扫描电镜下进行了观察,对Ti_2Cu的接触抗菌机制进行了初步探讨。在耐蚀性能表征中,Ti-5Cu合金在740℃和910℃退火后的样品呈现出了良好的耐蚀性能。得出的主要结论是,Ti-5Cu合金在经过温度为740℃的热处理后展现出了出色的强度-塑性匹配、抗菌性能以及耐蚀性能,在医用种植体方面具有良好的应用前景。
【图文】：

相图,差式扫描量热,加热速度,分析曲线

２．３．１邋ＴｈＣｕ合金的相变点以及热处理制度设计逡逑为了制定Ｔｉ－Ｃｕ合金的处理制度，需要得到不同Ｃｕ含量Ｔｉ－Ｃｕ合金各自重要相逡逑变的转变温度。Ｔｉ－ｘＣｕ邋（ｘ邋＝邋３，５和７ｗｔ．％）合金的差式扫描量热分析曲线如图２．１逡逑所示，所有样品采用统一加热速度，从室温加热至ｌ000°Ｃ。在图２．１中可以看到逡逑所有样品都呈现出了吸热峰。对于ＴｉｄＣｕ和Ｔｉ－５Ｃｕ样品来说，可以观察到２个逡逑吸热峰，分别对应的是ａ－Ｔｉ＋Ｔｉ２Ｃｕ—ａ－Ｔｉ＋｜５－Ｔｉ和ａ－Ｔｉ＋Ｐ－Ｔｉ邋—ｐ－Ｔｉ反应过程，而逡逑且可以看到ａ－Ｔｉ＋Ｐ－Ｔｉ—Ｐ－Ｔｉ的转变温度随着Ｃｕ含量的增加而降低，这也与相图逡逑规律相符。至于Ｈ－７ＣＵ合金，只观察到了一个吸热峰，这个可以认为是两个吸逡逑热峰太过于接近从而重合成了一个峰，因而此峰的强度也高于逡逑样品中的任何一个峰，甚至和两者各自两个峰叠加起来的强度相近。出现这种现逡逑象是因为Ｔｉ－７Ｃｕ的成分非常接近Ｔｉ－Ｃｕ合金的共析成分

合金样品,网篮组织,析出相,样品

图２．２热处理后Ｔｉ－Ｃｕ合金样品Ｘ射线衍射谱逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋ＸＲＤ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ｈｅａｔ邋ｔｒｅａｔｅｄ邋Ｔｉ－Ｃｕ邋ａｌｌｏｙｓ逡逑不同样品的典型金相组织结果如图２．３所示，对于７４０°Ｃ退火处理的样品可逡逑以看到基体上弥散分布着黑色的析出相，根据ＸＲＤ结果以及相图推测为Ｔｌ２Ｃｕ逡逑析出相，随着Ｃｕ含量的增加，，根据软件统计Ｔｉ－３Ｃｕ－７４０，邋Ｔｉ－５Ｃｕ－７４０以及Ｔｉ－逡逑７Ｃｕ－７４０样品析出相的面积分数分别从３７．９土５％增长为６９．８土５％到７３．８土５％。逡逑对于Ｔｉ－３Ｃｕ－８３０和Ｔｉ－５Ｃｕ－８３０样品来说，可以看到金相由浅色块状组织和网篮逡逑组织构成，块状组织推测为在８３０°Ｃ形成的初生ａ－Ｔｉ而网篮组织则是８３０°Ｃ形成逡逑的Ｐ－Ｔｉ相在空冷过程中形成的Ｐ－Ｔｉ转变组织，也就是由条状的ａ－Ｔｉ和Ｔｉ２Ｃｕ析逡逑出相所组成。对于邋Ｔｉ－７Ｃｕ－８３０，邋Ｔ卜３Ｃｕ－９１０，邋Ｔｉ－５Ｃｕ－９１０邋和邋Ｔｉ－７Ｃｕ－９１０邋样品来说，逡逑可以看到组织全部呈现黑白相间的网篮组织，这是由于在高温下所有样品都转变逡逑为（３－Ｔｉ单相组织
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.23;R318.08

【参考文献】