選擇性激光燒結(jié)復(fù)合生物陶瓷層技術(shù)的研究.pdf

1、生物陶瓷既有優(yōu)良的力學(xué)性能，又有較好的生物相容性，可用于制作牙科種植體及牙冠、人工關(guān)節(jié)、心臟瓣膜等。其特點是在人體內(nèi)的生理環(huán)境可長期保持其物理、化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，不發(fā)生或僅發(fā)生微弱的腐蝕及其它生物化學(xué)反應(yīng)。因此復(fù)合陶瓷成為近年來生物材料領(lǐng)域最為活躍的研究方向之一。但是，陶瓷材料存在脆性大、難加工等缺點，傳統(tǒng)方式只能加工出具有標(biāo)準(zhǔn)的簡單幾何形狀的陶瓷制品，不能滿足個性化需求，限制了其作為醫(yī)用材料的臨床應(yīng)用。本文利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成形復(fù)合

2、生物陶瓷粉末，進(jìn)行復(fù)合生物陶瓷粉末的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)試驗研究，所完成的主要工作有:
　　(1)原料制備、最佳的球磨時間及成形機(jī)理的研究。以四種配比的Al2O3/ZrO2/SiO2粉末為原料，利用高能球磨機(jī)混合四種配比的復(fù)合生物陶瓷的原料，研究了球磨時間對粉末顆粒尺寸和相變的影響，通過顯微組織和X射線衍射分析得到了最佳的球磨時間，球磨6小時，Al2O3/ZrO2/SiO2粉末成為無團(tuán)聚、粒徑為0.8μm～1μm左右的近球狀的

3、顆粒，為制備具有優(yōu)良性能的復(fù)合生物陶瓷層奠定基礎(chǔ)。同時通過SLS過程中燒結(jié)驅(qū)動力和粉末與激光作用機(jī)理的分析，得到了激光加工工藝參數(shù)與溫度的關(guān)系:粉末表面的溫升和激光的掃描速度v1/2成反比。
　　(2)研究在不添加粘結(jié)劑、不作任何后處理的情況下制備復(fù)合生物陶瓷層以及激光器的主要工藝參數(shù)對燒結(jié)質(zhì)量的影響。自制了選擇性激光燒結(jié)送粉平臺，構(gòu)建了Nd∶YAG激光器選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)，首次在不添加粘結(jié)劑、不作任何后處理的情況下成形陶瓷層，且

4、氣孔較少，密度達(dá)到3.72g/cm3。利用SEM、XRD等分析了材料的顯微組織和微區(qū)成分，探討了激光器的主要工藝參數(shù)對燒結(jié)質(zhì)量的影響，得到了掃描速度和激光功率的較優(yōu)范圍:激光功率為40W，掃描速度為15～25mm/s;激光功率為20W，掃描速度為5～25mm/s。通過正交試驗確定了激光器主要工藝參數(shù)對成形表面形貌的影響程度關(guān)系:掃描速度＞搭接量＞激光功率，最佳燒結(jié)條件為掃描速度為15mm/s、激光功率為40W、搭接量為0.4mm。根據(jù)球

5、化機(jī)理分析了產(chǎn)生球化效應(yīng)的原因，通過研究掃描速度對球化的影響，得到了當(dāng)掃描速度大于等于15mm/s時，能避免球化現(xiàn)象。
　　(3)研究了不同配比陶瓷層的表面和斷裂面微觀組織以及微區(qū)的點和面的能譜分析。利用Nd∶YAG選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)，制備了四種配比的陶瓷層，借助SEM、XRD、 EDS、Mapping等測試手段，進(jìn)行四種陶瓷層表面和斷裂面的微觀組織、點和面的能譜分析，通過四種配比陶瓷層的顯微組織、相結(jié)構(gòu)和內(nèi)部材料分布狀態(tài)分析比較

6、，得到最佳配比是ASZ3:40％Al2O3、30％ZrO2和30％SiO2(wt％)。該配比燒結(jié)后的陶瓷層較其它配比更加平整并且致密，且ASZ3各元素分布比較均勻，裂紋較少，斷裂面沿晶斷裂并存在微小裂紋，抑制了主裂紋擴(kuò)展，提高了陶瓷層的斷裂韌性。通過研究不同比例SiO2對陶瓷層的影響，比例合適時，玻璃相SiO2將大量的、粒度細(xì)微的晶體結(jié)合起來，起到了支架作用，與Al2OJZrO2形成了低共熔相，改善了復(fù)合生物陶瓷層的性能。
　　(

7、4)系統(tǒng)地建立了單道掃描以及多道搭接掃描燒結(jié)粉末的連續(xù)移動三維溫度場有限元模型?；贏NSYS對CO2激光器選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)在SLS成形過程中不同時刻的溫度場熱應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了選擇性激光燒結(jié)過程溫度隨時間的變化規(guī)律，并提出了采用正交設(shè)計實驗方法獲得的陶瓷層尺寸間接驗證選擇性激光燒結(jié)溫度場數(shù)值模擬結(jié)果，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較，燒結(jié)深度和燒結(jié)寬度的平均誤差分別為5.19％和0.39％，驗證了數(shù)值模擬的正確性，為選擇性激光燒

8、結(jié)過程溫度場分析提供了方法。建立了熱應(yīng)力場的間接耦合有限元模型，對SLS過程中應(yīng)力場以及殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，得到了SLS以及冷卻過程中應(yīng)力場隨時間變化的規(guī)律，基于SLS陶瓷層中裂紋形成機(jī)理，分析了裂紋產(chǎn)生的影響因素，提出了防止陶瓷層裂紋產(chǎn)生的方法。
　　(5)研究了CO2選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)條件下的最佳燒結(jié)條件以及復(fù)合生物陶瓷的最佳配比。利用CO2選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)成功地制備出了四種生物復(fù)合陶瓷層。以ASZ3陶瓷層的顯微硬度作為研究

9、對象，采用陶瓷層的顯微組織和X射線衍射分析，研究SLS過程中的主要工藝參數(shù)對陶瓷層顯微硬度的影響，當(dāng)激光功率為1000W、掃描速度為400mm/s和搭接量為0.6mm時，得到陶瓷層的顯微硬度值最高。選取ASZ0、ASZ1和ASZ3陶瓷層，進(jìn)行顯微組織和物相對比分析，隨著ZrO2含量的增加，顯微硬度和彈性模量隨之增加，ASZ3為最佳配比，驗證了Nd∶YAG激光器制備出陶瓷層的試驗研究結(jié)果。通過實際測量和理論計算，ASZ3的顯微硬度平均值約

10、為2100HV，彈性模量平均值約為200GPa，優(yōu)于目前臨床上廣泛使用的ZTA的力學(xué)性能。分析ZrO2對顯微組織的影響，ZrO2在燒結(jié)過程中發(fā)生相變，相變量為8.1％，增加了斷裂韌性，提高耐磨性。
　　(6)利用熱重分析法和差式掃描熱量法分析ASZ1、ASZ2、ASZ3燒結(jié)過程發(fā)生的的相變，通過DSC-TG熱分析試驗，對比了三種試樣燒結(jié)前后DSC-TG的曲線，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)前沒有出現(xiàn)新的物質(zhì)，質(zhì)量呈現(xiàn)減小的趨勢;燒結(jié)后生成了新的物質(zhì)莫來