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，無法滿足機體對其力學性能的要求。雖然最近研究發(fā)現(xiàn)通過引進金屬鈦(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性能優(yōu)良、形狀易控的HA/Ti復(fù)合材料成為人們越來越關(guān)心的問題。本文針對這一問題，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，并詳細研究了該材料的粉體制備、材料燒結(jié)、力學性能和生物性能。本研究對于開發(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際應(yīng)用價值。
　　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pH值、球磨處理和煅燒溫度對粉體相組成和粒度的影響。結(jié)果表明:反應(yīng)終點pH值控制在10.5左右時，可以得到結(jié)晶較好、組分單一的HA粉體;采用簡單經(jīng)濟的球磨工藝，可有效地打破粉體團聚，減小顆粒尺寸，增加顆粒比表面能;煅燒

4、溫度為750℃時，制備的HA粉體結(jié)晶度好、純度高、顆粒細小且分布均勻。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，本實驗對Ca(OH)2-H3PO4體系制備的HA粉體的燒結(jié)行為進行了研究。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顆粒的含量對相組成和微觀組織的影響，同時考察了Ti-Fe燒結(jié)體的微觀組織，詳細探討了HA

6、/Ti-Fe復(fù)合材料微觀組織的形成機理。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)合材料的力學性能，研究了Ti-Fe顆粒的添加對復(fù)合材料

7、力學性能的影響，探討了復(fù)合材料的強韌化機理。結(jié)果表明:Ti-Fe顆粒的添加使復(fù)合材料的抗彎強度、斷裂韌性和循環(huán)疲勞壽命均大幅提高。經(jīng)1000℃燒結(jié)，當Ti-Fe含量為5％時，復(fù)合材料的抗彎強度出現(xiàn)最大值(93MPa)，與純HA相比提高了42％;當Ti-Fe含量為15％時，復(fù)合材料的斷裂韌性達到最大值(1.3MPa·m1/2)，較純HA提高了128％。復(fù)合材料的強韌化主要緣于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)合強度良好的界面。Ti-Fe顆粒對復(fù)合材料的強韌化機制主要包括:顆粒的橋聯(lián)增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋的分叉增韌。
　　本文同時研究了燒結(jié)溫度對HA/Ti-Fe復(fù)合材料微觀組織和力學性能的影響。結(jié)果表明:燒結(jié)溫度的變化對微觀組織影響較小。當提高燒結(jié)溫度時，復(fù)合材料的致密度、抗彎強度、斷裂韌性和循環(huán)疲勞壽命隨之提高，但當燒結(jié)溫度為1050℃時，會加劇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HA/Ti-Fe復(fù)合材料強度斷口表面進行了三維重建并通過軟件計算出了斷口的分形維數(shù)，考察了分形維數(shù)與力學性能的關(guān)系。結(jié)果表明:復(fù)合材料的強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