收藏本站
《中国矿业大学》 2008年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

钛金属陶瓷制备及其生物摩擦学性能研究

罗勇  
【摘要】: 本文采用分级渗碳技术对Ti6Al4V合金进行表面高温渗碳,制备钛金属陶瓷,并成功制备出了钛金属陶瓷人工髋关节球头。 本文通过材料热力学和动力学分析研究钛金属陶瓷的制备工艺,充分理解钛合金渗碳的分级扩散机理。通过对钛金属陶瓷的表面成分、结构、表面形貌、硬度、断裂韧性、接触角、腐蚀电流、摩擦系数、磨损率、磨粒等进行了测试研究,评价钛金属陶瓷表面的微观结构、表面力学性能、电化学腐蚀性能、润湿性能、滑动摩擦学性能和生物摩擦学性能。 表面成分分析表明,采用分级渗碳技术可以在医用钛合金进行表面渗碳制备微孔钛金属陶瓷,钛金属陶瓷厚度达到250μm,主要包括微孔碳化钛陶瓷层和扩散层。由于钛金属陶瓷的成分为梯度分布,使钛金属陶瓷没有明显的界面,而形成的钛金属陶瓷处于冶金结合的状态,因此钛金属陶瓷不存在结合力的问题,不会产生涂层脱落的问题。通过对钛金属陶瓷表面进行X衍射和XPS成分分析发现,在钛合金表面生成了纯净致密的面心立方结构的碳化钛陶瓷,钛金属陶瓷中并没有氢化物的存在,不存在氢脆问题。而XPS和辉光能谱分析都表明在钛金属陶瓷中碳原子呈浓度梯度分布,而表面形貌分析则进一步证实,钛金属陶瓷表面的碳化钛在渗碳过程中取向的无序度增加,部分碳化钛会堆垛在一起,形成了较为复杂的微孔结构。 钛金属陶瓷表面的TiC陶瓷和其复杂的微孔结构极大地提高了钛合金的表面硬度,钛金属陶瓷的表面维氏硬度高达778 HV,是钛合金的2.3倍,而其纳米硬度也高达到了12 GPa,也是钛合金纳米硬度的2.6倍。同时,钛金属陶瓷保留金属良好的塑性,其断裂韧性值为21 .5×10~6 Pa·m~(1/2),远高于一般陶瓷的断裂韧性,充分说明钛金属陶瓷兼顾了金属和陶瓷的性能。 在研究中还发现,钛合金及钛金属陶瓷的摩擦系数都存在明显的载荷依赖性,但二者具有相反的变化趋势。钛合金的摩擦系数随着载荷的增加而降低,而钛金属陶瓷的摩擦系数随着载荷的增加而增加。另外,钛金属陶瓷表面的微孔结构和表面硬度有效地强化了钛合金表面,提高了钛合金的剪切抗力,在与氧化锆配副进行摩擦时显著降低了材料的摩擦系数,并显著提高了钛合金的耐磨性,并极大地降低了磨屑的浓度。 与此同时,钛合金渗碳后其电化学腐蚀性能有所降低,但仍然具有耐蚀性,不影响其使用。研究还发现,表面自由能是影响钛合金润湿性能的重要机制。钛合金渗碳后其表面自由能从26 .3×10~(-3)J/m~2增加到了31 .7×10~(-3)J/m~2,增加了20.5%;而在去离子水中的接触角从83?降到了71.5?左右,下降了14%左右,极大地提高了材料表面的润湿性能,并且非常接近细胞吸附的最优接触角70°。 人工髋关节磨损模拟试验表明,钛金属陶瓷显著提高了关节球头的耐磨性并同时降低了UHMWPE关节臼的磨损,而且钛金属陶瓷有效地控制了UHMWPE磨屑的分布,提高了UHMWPE磨屑的尺寸,这可降低由磨屑引起的细胞毒性反应。 本文证据表明,钛金属陶瓷具有很好的力学性能、良好的润湿性、可接受的耐腐蚀性和接近陶瓷材料的生物摩擦学性能,是一种非常有前途的人工关节头制造材料。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB331

免费申请
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 王玉林;刘咏;刘延斌;王斌;汤慧萍;;TiC颗粒增强钛基复合材料的摩擦磨损性能[J];粉末冶金材料科学与工程;2011年02期
2 王松;廖振华;刘宇宏;刘伟强;;人工椎间盘关节材料表面耐磨改性研究进展[J];功能材料;2013年05期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王玉林;TiC/Ti基复合材料摩擦磨损性能与氧化行为的研究[D];中南大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈飞,张跃飞,周海;钛合金表面加弧辉光离子无氢渗碳工艺的研究[J];北京石油化工学院学报;2004年02期
2 温波,黄颖,徐勇忠;氧化钛生物陶瓷骨细胞相容性研究[J];吉林大学学报(医学版);2004年03期
3 刘肃,周延民,王晓容,王瑞;镍铬合金、钛合金及金铂合金在人工唾液中的耐腐蚀性能[J];吉林大学学报(医学版);2005年05期
4 童洪辉,金凡亚;微弧氧化与磁控溅射复合处理的钛合金表面耐磨性研究[J];材料保护;2005年07期
5 金凡亚,童洪辉,沈丽如,王珂,李炯,朱剑豪;钛合金微弧氧化陶瓷膜微观特性的分析[J];材料保护;2005年08期
6 金光,李玉海,张罡;钛合金微弧氧化膜成分特性分析[J];材料保护;2005年11期
7 储成林,朱景川,尹钟大,王世栋;医用钛合金及其表面改性[J];材料科学与工艺;1998年02期
8 李争显,周慧,杜继红,徐重,周廉;钛合金表面辉光无氢渗碳的研究[J];稀有金属材料与工程;2004年12期
9 周慧,刘正堂,李争显,杜继红;钛合金表面微弧氧化膜及抗氧化性能的研究[J];稀有金属材料与工程;2005年11期
10 彭峰,冯景贤;不同条件下乙炔裂解产物的电镜分析[J];电子显微学报;2003年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 周鸿翼;;Mg-Sc合金的热力学性质计算[J];四川有色金属;2008年03期
2 伍增勇;彭娅;童荣柏;王柯;;PVP在医用聚氨酯表面润滑改性中的研究及应用[J];工程塑料应用;2010年03期
3 王相力;王再义;刘德军;邢本策;杨大正;;高炉冶炼低硅生铁的热力学分析[J];鞍钢技术;2009年01期
4 王自瑾;;多重化学平衡的计算及其应用[J];安徽工学院学报;1992年02期
5 刘吉辉;李静;汪琦;;铁尾矿合成镁橄榄石质耐火材料的反应机理[J];辽宁科技大学学报;2009年01期
6 张俊宝;杨晓萍;王秀芳;史弼;宋洪伟;;精细退火GCr15钢各相微观组织纳米压痕表征[J];宝钢技术;2008年02期
7 吴铿,杨天钧,周渝生,左广庆;熔融还原竖炉—铁浴流程操作模型的应用[J];北京科技大学学报;1990年03期
8 韩欢庆;卢惠民;邱定蕃;褚征军;;自蔓延高温合成MgB_2粉末[J];北京科技大学学报;2006年02期
9 李静;申宁;汪琦;陈树江;;铁酸镁生成反应非等温动力学[J];北京科技大学学报;2008年09期
10 沈连成;宿彦京;何健英;李金许;褚武扬;乔利杰;;氢促进铁磁性形状记忆合金Ni_(50)Mn_(30)Ga_(20)的纳米压痕蠕变与压痕回复[J];北京科技大学学报;2010年10期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 高川;万怡灶;何芳;;新型羟基磷灰石骨水泥的制备和性能研究[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
2 王涵;张华;;纳米生物医用材料的研究及发展趋势[A];第六届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2006年
3 左桂福;刘超;何芳;万怡灶;;聚甲基丙烯酸甲酯/羟基磷灰石纳米复合材料的制备及表征[A];第十届中国科协年会论文集(三)[C];2008年
4 孙艳荣;张靠民;范涛;;羟基磷灰石形貌调控及复合材料的研究进展[A];第七届全国材料科学与图像科技学术会议论文集[C];2009年
5 郭志猛;高峰;杨珂;张瑞珠;李艳;;自蔓延高温合成法固化高放核废料的研究[A];2006全国核材料学术交流会论文集[C];2006年
6 李长久;王晋珍;孟政;姜宏;黄幼榕;崔竹;;浮法玻璃熔化过程热量消耗的DTA研究[A];2010全国玻璃技术交流研讨会论文集[C];2010年
7 信世堡;;微弧氧化技术及其在钛合金表面处理中的应用[A];高性能防腐蚀涂装及表面保护技术的应用与发展——第16届全国表面保护技术交流会论文集[C];2011年
8 冯波;翁杰;屈树新;陈继镛;张兴栋;;医用钛表面生物活性化研究[A];2005年功能材料学术年会论文集[C];2005年
9 韩建业;于振涛;周廉;;羟基磷灰石/TiO_2生物活性复合涂层的研究进展[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(5)[C];2007年
10 闫军;易建政;崔海萍;;静态破碎剂研究进展[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(9)[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邴文增;钛铪合金吸放氘行为和相变[D];中国工程物理研究院;2010年
2 刘万超;拜耳法赤泥高温相转变规律及铁铝钠回收研究[D];华中科技大学;2010年
3 刘强;基于优化血液相容性的生物医用金属材料表面设计与改性[D];江苏大学;2010年
4 李勇;低品位氧化铅锌矿硫化—浮选工艺及理论研究[D];昆明理工大学;2009年
5 刘大春;从含锌铟复杂物料中提取金属铟新工艺的研究[D];昆明理工大学;2008年
6 刘媛媛;二元Pb合金结构和性质的分子动力学模拟及真空蒸馏实验研究[D];昆明理工大学;2010年
7 贾国斌;若干铅基合金真空蒸馏分离提纯的研究[D];昆明理工大学;2010年
8 邓明进;高性能反应烧结碳化硅陶瓷材料制备及其性能研究[D];武汉理工大学;2010年
9 肖桂勇;雾化干燥法制备羟基磷灰石微球的结构表征及其生物学行为研究[D];山东大学;2010年
10 徐松林;PTFE/A1含能反应材料力学性能研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 宁铮;TC4钛合金微弧氧化膜层的摩擦性能研究[D];南昌航空大学;2010年
2 张颖慧;体育赛事与城市的相容性研究[D];上海体育学院;2010年
3 温合静;基于钨酸基无机—有机层状混杂结构的钨系微纳米晶材料的制备与表征[D];郑州大学;2010年
4 纪文文;超重力燃烧合成YAG陶瓷热力学计算及过程仿真[D];山东农业大学;2010年
5 林爽;低温前驱体裂解法合成碳化硼粉体的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 黄圣玲;固相反应型SiO_2基陶瓷涂层反应机理及性能研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
7 王芳;Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)铁电纳米管的制备与表征[D];湘潭大学;2010年
8 曾亮;纳米羟基磷灰石表面改性及其增强PCL复合材料性能研究[D];湘潭大学;2010年
9 张力;基于甘油、羟基乙酸及乳酸的树枝状聚酯体系的合成和表征[D];湘潭大学;2010年
10 杨用龙;石煤湿法提钒工艺及其溶液化学研究[D];湘潭大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王庆良,葛世荣,黄传辉,朱华;氮离子注入超高分子聚乙烯的表面性能[J];中国表面工程;2004年02期
2 孙彦敏;王庆良;张磊;沈涵;;超高分子量聚乙烯表面沉积类金刚石膜的摩擦磨损性能[J];中国表面工程;2010年06期
3 余志明;张益豪;魏秋平;刘丹瑛;孟令聪;;梯度基体温度法和反应溅射TiC过渡层对钛合金基体沉积金刚石薄膜的影响[J];中国表面工程;2012年03期
4 吕维洁,张小农,张荻,施忠良,吴人洁,卞玉君,方平伟;颗粒增强钛基复合材料研究进展[J];材料导报;1999年06期
5 张廷杰,曾泉浦,毛小南,张小明,曾立英,戚玉莲;TiC颗粒强化钛基复合材料的高温拉伸特性[J];稀有金属材料与工程;2001年02期
6 曲选辉,肖平安,祝宝军,秦明礼;高温钛合鑫和颗粒增强钛基复合材料的研究和发展[J];稀有金属材料与工程;2001年03期
7 毛小南,张廷杰,张小明,曾立英,戚运莲,姚丽;TiC颗粒增强钛基复合材料的形变[J];稀有金属材料与工程;2001年04期
8 杨延清,朱艳,陈彦,张清贵,张建民;SiC纤维增强Ti基复合材料的制备及性能[J];稀有金属材料与工程;2002年03期
9 张小农,李超,李小璀,何利舰;原位自生成TiC/Ti基复合材料的高温氧化[J];稀有金属材料与工程;2004年03期
10 秦林,唐宾,刘道新,徐重;钛合金Ti6Al4V表面Mo-N改性层的摩擦性能研究[J];稀有金属材料与工程;2005年09期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 倪自丰;超高分子量聚乙烯的抗氧化处理及其生物摩擦学行为研究[D];中国矿业大学;2009年
2 曹丽琴;钛合金表面氮化层激光辅助制备及其力学性能研究[D];华东理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 高展;改性Ti6Al4V合金/UHMWPE生物摩擦学特性研究[D];南京理工大学;2006年
2 贾锁杰;钛合金微弧氧化表面改性耐磨性研究[D];西安建筑科技大学;2007年
3 关祥楠;Tic/β-Ti复合材料激光改性层的制备及性能研究[D];沈阳工业大学;2009年
4 刘建立;无氢类金刚石薄膜的制备及其摩擦学性能研究[D];河南大学;2009年
5 侯猛;Ti6Al7Nb和Ti6Al4V医用钛合金的热氧化对比研究[D];浙江大学;2010年
6 蒋松林;TC4钛合金表面激光熔覆C与BN原位生成复合涂层研究[D];南华大学;2010年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王春华;TiC/TiB_2复合陶瓷材料的制备和性能研究[D];东北大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 崔琳;离子注入结构陶瓷表面改性技术的研究现状[J];兵器材料科学与工程;1999年02期
2 吴水清;过氧化氢在表面技术中的应用[J];表面技术;1997年02期
3 吴振军,何莉萍,陈宗璋;电化学方法制备HAp/金属生物复合材料研究进展[J];表面技术;2003年03期
4 戴金辉,李建保,唐国翌;生物涂层材料的研究现状与展望[J];山东陶瓷;1999年02期
5 温波,黄颖,徐勇忠;氧化铝生物陶瓷骨细胞相容性研究[J];吉林大学学报(医学版);2003年02期
6 吴瑜光,张通和;离子束医用生物聚合物材料改性研究[J];北京师范大学学报(自然科学版);2002年01期
7 易仲珍,张旭,张通和,李永良;C+Mo离子共注入H13钢中抗腐蚀性能的研究[J];北京师范大学学报(自然科学版);2002年01期
8 刘建平,旷亚非;微弧氧化技术及其发展[J];材料导报;1998年05期
9 陈长春,孙康,吴人洁;髋关节置换用股骨假体材料的研究与应用[J];材料导报;1998年06期
10 储成林,朱景川,尹钟大,王世栋;羟基磷灰石(HA)生物复合材料的研究进展[J];材料导报;1999年02期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 魏超;罗勇;强颖怀;葛长路;;钛合金的表面渗碳工艺及其耐磨性能[J];机械工程材料;2008年01期
2 刘志杰;钛及钛合金的加工[J];工具技术;1981年02期
3 白登奇;TCI钛环锻造[J];热加工工艺;1986年03期
4 王光初;TA7钛合金的连续点焊[J];航空制造技术;1987年05期
5 余国湘;TC4钛合金的切削加工[J];稀有金属材料与工程;1987年01期
6 张宝昌;钛合金β相加工述评和展望[J];机械工程材料;1987年06期
7 刘乃周,宿来林;钛合金深盲孔精加工探索[J];航空制造技术;1988年04期
8 窦健敏;装饰用钛合金[J];稀有金属;1989年03期
9 张少卿,陶春虎;近β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al的时效相变研究[J];金属学报;1989年01期
10 王乐安, 唐祥松,刘强;TC-11钛合金叶片模锻工艺分析[J];材料工程;1994年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 韩光臣;迟恩田;;电火花铣削钛合金加工工艺研究[A];特种加工技术——2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年
2 张跃飞;;阵列针状空心阴极放电钛合金表面合金化研究[A];第十三届全国等离子体科学技术会议论文集[C];2007年
3 江应栋;黄青松;;高温真空钛合金成形炉应用[A];探索 创新 交流(第4集)——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年
4 杨荣福;韩荣第;;车削TC-4钛合金时高速钢刀具磨损的试验研究[A];摩擦学第三届全国学术交流会论文集摩擦磨损部分(Ⅰ)[C];1982年
5 李佐臣;;海洋开发、舰船用新型结构钛合金研制[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年
6 马小怀;赵喜明;陈百锁;;钛合金棒材超声波探伤[A];无损检测专业委员会第七届年会论文集[C];2000年
7 周荣林;侯金保;黄宁;张九海;田锡唐;;钛合金中间层扩散连接[A];第十次全国焊接会议论文集(第1册)[C];2001年
8 陈明和;;热加工过程中钛合金微观组织演变的可视化仿真[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
9 陈玉勇;;钛合金及TiAl系金属间化合物的研究进展及发展趋势[A];人才、创新与老工业基地的振兴——2004年中国机械工程学会年会论文集[C];2004年
10 郭永清;吕刚;;钛合金小规格六方棒的超声探伤方法[A];陕西省第九届无损检测年会陕西省机械工程学会无损检测分会论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 天际;飞亚达钛合金航天表助力“神六”[N];中国有色金属报;2005年
2 潘廷祥;钛:节能减排钛有功[N];中国有色金属报;2007年
3 记者 谢玉先 周军;钛合金基地“扎根”攀长钢[N];中国冶金报;2006年
4 赵永庆 杨冠军;西北院自主开发钛合金及产业化[N];中国有色金属报;2007年
5 张献怀;钛合金补片修复颅骨缺损“天衣无缝”[N];中国医药报;2008年
6 吴光鹏 刘运伟;安吉精铸公司攀登钛合金铸造技术高峰[N];中国航空报;2005年
7 ;美国实验室开发出钛铝的先进加工工艺模型[N];中国有色金属报;2006年
8 廖志林;脑肿瘤病人用上钛合金颅骨[N];健康报;2008年
9 姚红亮;七二五所钛产业成绩斐然[N];中国有色金属报;2009年
10 吴全兴;日本钛合金研发拉动钛产业发展[N];中国有色金属报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 罗勇;钛金属陶瓷制备及其生物摩擦学性能研究[D];中国矿业大学;2008年
2 刘洪涛;人工关节磨屑表征及磨屑生物反应研究[D];中国矿业大学;2008年
3 王连军;玻璃—陶瓷保护涂层的制备及在钛合金热加工过程中的应用研究[D];大连理工大学;2002年
4 杜汉斌;钛合金激光焊接及其熔池流动场数值模拟[D];华中科技大学;2004年
5 张云琨;氢、氮化和热氧化对钛合金性能影响的研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2005年
6 何晓;含氢的新型钛合金的疲劳行为研究[D];四川大学;2003年
7 卫中山;MEVVA离子注入钛合金抗疲劳制造的基础研究[D];南京航空航天大学;2003年
8 李鑫;TC11钛合金的热态变形行为及其锻造工艺优化研究[D];南京航空航天大学;2009年
9 何博;钛合金表面热障涂层的制备与研究[D];上海交通大学;2008年
10 汤慧萍;汽车用粉末冶金Ti-Fe-Mo-Al合金的研究[D];中南大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郑韵哲;激光近形制造钛合金试件力学性能的初步研究[D];中国医科大学;2009年
2 张菊梅;能量参数对钛合金微弧氧化膜层表面形貌及膜层/环氧树脂结合强度的影响[D];西安理工大学;2004年
3 刘会群;金属Sc对钛合金组织与性能的影响[D];中南大学;2004年
4 秦妍梅;钛及钛合金表面改性层腐蚀及腐蚀磨损性能的研究[D];太原理工大学;2005年
5 邓炯;氮离子注入两种新型钛合金的表面改性研究[D];四川大学;2005年
6 张凤英;低成本氢化脱氢钛合金粉末的激光快速成形[D];西北工业大学;2006年
7 杨勇;细晶钛合金超塑性扩散连接的微观组织及元素扩散行为[D];大连理工大学;2009年
8 曹建玲;钛合金的氢致延迟断裂行为研究[D];四川大学;2002年
9 沈纪渭;钛合金环壳零件冲压成形过程的有限元模拟研究[D];西北工业大学;2003年
10 戴正宏;医用钛合金表面阳极氧化研究[D];天津大学;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026