医用块体非晶合金飞秒激光加工试验研究

发布时间：2020-06-12 10:31

【摘要】：与医用不锈钢、钛及其合金等常用的人体植入物材料相比,医用块体非晶合金兼具生物玻璃和生物金属材料的优良特性,拥有优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性,在生物医学领域表现出极大的潜力。目前常用的医用材料存在生物惰性、结合度不高等问题,通常需要进行复杂的表面处理以提高其生物相容性。非晶态合金处于亚稳态结构,常用的表面处理方法会破坏其独特的结构,影响其物化特性。而飞秒激光加工的作用脉冲宽度极短,具有很高的时间和空间分辨率,对基体的影响极小,在材料表面处理方面具有极大的优势。因此,开展新一代医用块体非晶合金飞秒激光加工研究具有重要的价值。为实现高效、高质量非晶合金表面处理,本文基于相关理论与实验研究,选取Zr_(61)Ti_2Cu_(25)Al_(12)医用块体非晶合金材料,以飞秒激光加工为手段,进行单点烧蚀、划线和大面积结构制备试验,计算了材料的烧蚀阈值,并对加工后表面微观形貌、元素组分和润湿性进行了检测分析。课题具体研究如下:(1)Zr_(61)Ti_2Cu_(25)Al_(12)非晶合金的不同脉冲下的烧蚀阈值研究。基于激光烧蚀阈值理论,设计不同能量和脉冲个数进行单点烧蚀试验,利用光学轮廓仪测量出烧蚀孔直径,建立起形貌尺寸与激光参数的关系,得出不同脉冲数下的烧蚀阈值。(2)不同参数下的飞秒激光单点烧蚀和刻槽划线研究。利用SEM和EDS对多参数下的飞秒激光加工形貌和元素成分进行分析。结果表明,飞秒激光加工会对材料表面进行氧化;单点烧蚀时,随着激光功率或脉冲个数的增加,在非晶合金出现深孔烧蚀区和微纳结构改性区;进行刻槽划线时,速度较低会导致表面堆积物较多,随着激光速度不断增加,材料去除量降低,在冲击压力下,可以有效去除烧蚀生成物,表面质量逐渐提高。同时还发现低速度下能量累积可能会对槽两侧的氧化层表现出“清洗”作用。(3)飞秒激光加工前后非晶合金表面湿润性研究。利用接触角测量仪对飞秒激光加工前后表面进行了测量并在3个月后再一次测量进行对比。研究发现,未加工Zr_(61)Ti_2Cu_(25)Al_(12)非晶合金本身具有亲水特性,而通过飞秒激光制备的不同微纳结构表面的接触角均明显降低,表现出优异的亲水特性。同时还发现,在空气中静置三个月后,未加工表面接触角减小,加工后表面接触角增大,亲水特性降低。(4)未加工非晶合金表面及加工后静置3月后表面化学组成变化研究。运用XPS对两组表面的元素组成及可能存在的化合物进行了检测分析。研究结果表明,未加工表面会在空气中形成主要由氧化锆构成的钝化层。研究还从表面存在的基团变化这一角度分析了加工后表面久置后,亲水性变弱的原因。本课题的研究成果可以为医用非晶合金的飞秒激光精密加工、亲水性表面的制备和种植体的表面处理提供技术上的支持和借鉴。
【图文】：

晶体材料,纳米非晶,纳米晶体材料,熔体结构

大学硕士学位论文第一第一章绪论晶合金材料综述晶合金（AmorphousAlloys）又称为金属玻璃（BulkMetallicGlass），却方法制备出的兼具一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性质的合金材料。非晶态合金常处于亚稳态结构，在一定温度范围内可保持原子排列呈现无定形状态，只表现出短程有序的结构，如图 1-1 是纳纳米结构非晶材料缺陷和化学微观结构之间的对比[1]。与传统金属合合金独特的结构使其整体表现出更优异的综合性能，它具有很高的强裂韧性和耐腐蚀性，还拥有出色的软磁能力、储氢能力、超导能力和良的特性，在医疗、国防、信息和能源领域等方面的有重要应用前景

块体非晶合金,金属玻璃

对低冷却速率下，原子在足够的时间内重新规则排列产生晶合金的玻璃成形能力很弱，在以后几十年里，只能得到状等尺寸非常小的金属玻璃，，极大限制了金属玻璃的发展玻璃成为了科学家们亟待解决的问题。74 年，Chen 等[5]采用铜模吸铸法成功地以相对较低的临界了厚度可达 3mm 的 Pd 基块状金属玻璃。，美国哈佛大学教授 Turnbull 等[6]使用氮化硼稀释法钝化金核，进一步得到了更大尺寸的 Pd-Ni-P 系大块金属玻璃。只是成分证明合金液具有一定的玻璃化能力，且成本非常面没有太大的价值。年和 1990 年期间，日本东北大学金属研究所的井上明久过往制备工艺研究转向成分设计上，通过混合许多类多组的复杂性及溶体粘度，从而制备出高成形力和热稳定性的La-Al-Ni-Cu、Zr-Al-Ni-Cu、Zr-Ti-Ni-Cu-Be 块状非晶合金上的重大突破。
【学位授予单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG139.8;R318.08

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