HA-TI-Fe生物復(fù)合材料制備、組織與性能的研究.pdf

1、羥基磷灰石(HA)具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性、骨傳導(dǎo)性，因此羥基磷灰石在生物硬組織的修復(fù)、替換及提高硬組織的功能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但由于羥基磷灰石脆性較大，無法滿足機(jī)體對(duì)其力學(xué)性能的要求。雖然最近研究發(fā)現(xiàn)通過引進(jìn)金屬鈦(Ti)可以提高羥基磷灰石的韌性，但采用的熱壓等燒結(jié)工藝只能作形狀簡單的制品，且成本高。因此如何低成本獲得力學(xué)性能優(yōu)良、形狀易控的HA/Ti復(fù)合材料成為人們?cè)絹碓疥P(guān)心的問題。本文針對(duì)這一問題，通過向HA/Ti

2、材料中引入鐵(Fe)，采用低成本的真空燒結(jié)工藝制備了新型的HA/Ti-Fe復(fù)合材料，并詳細(xì)研究了該材料的粉體制備、材料燒結(jié)、力學(xué)性能和生物性能。本研究對(duì)于開發(fā)新型的HA基復(fù)合材料，拓寬其臨床的應(yīng)用等具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　采用Ca(NO3)2-P2O5和Ca(OH)2-H3PO4兩種反應(yīng)體系制備HA粉體。在以Ca(NO3)2和P2O5為反應(yīng)物制備HA粉體的過程中，系統(tǒng)研究了檸檬酸的添加對(duì)粉體形成過程、產(chǎn)物雜質(zhì)相及粉

3、體粒度的影響。結(jié)果表明:加入的檸檬酸通過螯合作用改變了HA的形成歷程、提高了膠體的穩(wěn)定性、降低了雜質(zhì)相CaO的含量，并在一定程度上抑制了粉體的團(tuán)聚。在以Ca(OH)2和H3PO4為反應(yīng)物制備HA粉體的過程中，研究了反應(yīng)終點(diǎn)pH值、球磨處理和煅燒溫度對(duì)粉體相組成和粒度的影響。結(jié)果表明:反應(yīng)終點(diǎn)pH值控制在10.5左右時(shí)，可以得到結(jié)晶較好、組分單一的HA粉體;采用簡單經(jīng)濟(jì)的球磨工藝，可有效地打破粉體團(tuán)聚，減小顆粒尺寸，增加顆粒比表面能;煅燒

4、溫度為750℃時(shí)，制備的HA粉體結(jié)晶度好、純度高、顆粒細(xì)小且分布均勻。通過比較兩種體系制備的HA粉體性能，Ca(OH)2-H3PO4體系可制得粒度分布均勻的高純HA粉體，且該法工藝簡單，適合批量制備，本文最終選用該體系制備HA粉體。此外，本實(shí)驗(yàn)對(duì)Ca(OH)2-H3PO4體系制備的HA粉體的燒結(jié)行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:采用真空燒結(jié)工藝，可在1000℃的低溫下，獲得致密度高達(dá)99％的HA陶瓷。
　　根據(jù)Ti-Fe二元相圖，本文首先

5、確定了Ti和Fe的混合比例為67∶33(質(zhì)量比，w％)，通過球磨工藝獲得Ti-Fe復(fù)合粉體;然后將此復(fù)合粉體與Ca(OH)2-H3PO4體系制備的HA粉體混合，通過真空燒結(jié)工藝制備了HA/Ti-Fe復(fù)合材料。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)分析了HA/Ti-Fe復(fù)合材料的相組成和微觀組織，研究了Fe的引入和Ti-Fe顆粒的含量對(duì)相組成和微觀組織的影響，同時(shí)考察了Ti-Fe燒結(jié)體的微觀組織，詳細(xì)探討了HA

6、/Ti-Fe復(fù)合材料微觀組織的形成機(jī)理。結(jié)果表明:通過真空燒結(jié)，可成功獲得孔隙率低、致密度較好的HA/Ti-Fe復(fù)合材料;Fe的引入有效地抑制了HA的分解及其與Ti的反應(yīng)，使得主晶相HA和Ti相仍保留在基體中;基體HA中的Ti-Fe增強(qiáng)顆粒呈一種新穎的蛋殼狀結(jié)構(gòu)，其中核區(qū)主要由Fe組成，殼層主要由Ti組成。
　　在HA/Ti-Fe復(fù)合材料制備及微觀組織研究的基礎(chǔ)上，本文考察了復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究了Ti-Fe顆粒的添加對(duì)復(fù)合材料

7、力學(xué)性能的影響，探討了復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。結(jié)果表明:Ti-Fe顆粒的添加使復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和循環(huán)疲勞壽命均大幅提高。經(jīng)1000℃燒結(jié)，當(dāng)Ti-Fe含量為5％時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)最大值(93MPa)，與純HA相比提高了42％;當(dāng)Ti-Fe含量為15％時(shí)，復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到最大值(1.3MPa·m1/2)，較純HA提高了128％。復(fù)合材料的強(qiáng)韌化主要緣于Ti-Fe顆粒蛋殼狀的組織結(jié)構(gòu)、分布于殼層的韌性相Ti和Ti-F

8、e顆粒與HA基體之間具有結(jié)合強(qiáng)度良好的界面。Ti-Fe顆粒對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括:顆粒的橋聯(lián)增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋的分叉增韌。
　　本文同時(shí)研究了燒結(jié)溫度對(duì)HA/Ti-Fe復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:燒結(jié)溫度的變化對(duì)微觀組織影響較小。當(dāng)提高燒結(jié)溫度時(shí)，復(fù)合材料的致密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和循環(huán)疲勞壽命隨之提高，但當(dāng)燒結(jié)溫度為1050℃時(shí)，會(huì)加劇HA的分解。因此復(fù)合材料的最佳燒結(jié)溫度為1000℃。
　　在

9、上述研究基礎(chǔ)上，本文還采用SEM立體技術(shù)對(duì)HA/Ti-Fe復(fù)合材料強(qiáng)度斷口表面進(jìn)行了三維重建并通過軟件計(jì)算出了斷口的分形維數(shù)，考察了分形維數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系。結(jié)果表明:復(fù)合材料的強(qiáng)度斷口具有良好的分形特征，隨著Ti-Fe顆粒含量的增加，復(fù)合材料斷口的粗糙度增加，分形維數(shù)也隨之增加;由于材料內(nèi)部孔隙的存在，復(fù)合材料的強(qiáng)度與分形維數(shù)不存在定量的關(guān)系，但是斷裂韌性與分形維數(shù)的增量呈正向的線性關(guān)系，與Mecholsky-Mackin方程非常吻合