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《山东大学》 2005年
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纳米羟基磷灰石/SiC晶须复合生物陶瓷材料及其加工

牛宗伟  
【摘要】:羟基磷灰石(Hydroxyapatite,简称HAP)因其良好的生物相容性和骨传导性 而成为重要的人工骨移植材料。但合成HAP的力学性能较差,特别是其断裂韧性 很低而被严格限制在非动载环境中使用。SiCw可以有效地提高HAP生物陶瓷的强 度和断裂韧性,扩大其应用范围。 本文对溶胶-凝胶法合成纳米羟基磷灰石进行了热力学分析,用原位复合法 制备了HAP/SiCw复合微粉,用热压烧结法得到了HAP/SiCw复合生物陶瓷,对SiCw 的增韧机制进行了理论研究和有限元分析,对HAP/SiCw复合生物陶瓷进行了分形 分析,最后对HAP/SiCw复合生物陶瓷的超声波加工进行了研究。 对溶胶凝胶法合成羟基磷灰石时水溶液中的Ca-P2O5-H2O系和 Ca(OH)2-H3PO4-H2O系进行了热力学分析,得出了合成纳米HAP的合适条件:使用 二甲基甲酰胺为分散剂,在145-150℃的温度下进行反应可以得到高纯度的纳米羟 基磷灰石,并可以避免使用昂贵的高压釜。对纳米羟基磷灰石进行了表征。对热 压烧结过程进行了理论分析,得出了热压烧结致密化速率的表达式。首次用原位 复合法制备了HAP/SiCw复合微粉。用热压烧结法制备了HAP/SiCw复合生物陶瓷, 得出了合理的烧结工艺为:烧结温度1300-1310℃,保温时间30min,烧结压力 30-40MPa,保护气氛为氮气。 对HAP/SiCw复合生物陶瓷的微观结构和力学性能进行了研究。研究了晶须含 量和晶须取向对复合材料微观结构和力学性能的影响。通过理论计算和试验分析 得出了HAP/SiCw复合生物陶瓷中SiCw的最大极限含量为23. 7%。试验结果表明, 材料的致密度随着晶须含量的增加而降低,当晶须含量小于理论极限值时,材料 的抗弯强度和断裂韧性随着晶须含量的增加而增大,当晶须含量大于理论极限值 时,材料的抗弯强度和断裂韧性开始下降。当SiCw的体积含量为23. 7%时,复合 材料的力学性能最好,抗弯强度190MPa,断裂韧性2. 31MPa·m1/2。分析了晶须 取向对复合材料力学性能的影响,发现SiCw择优分布在垂直于热压面内,材料在 平行于热压面的方向上力学性能最好,在垂直于热压面的方向上力学性能最差。 对剪滞理论进行了修正,得出了晶须端部所受应力的表达式,推导出了预报 晶须桥联、晶须拔出、裂纹偏转三者协同增韧效果的表达式。对晶须增韧HAP的 微观单元进行了有限元分析,发现在受外力作用时,晶须端部与基体结合处的剪 切应力是传递外部载荷的主要方式,晶须端部与基体的结合强度是决定复合材料 力学性能的主要因素。 用分形理论对HAP/s iCw复合生物陶瓷的断口SEM图像进行了分析,发现 HAP/siCw复合生物陶瓷具有分形特征,材料的断口分维值随着晶须含量的增加而 增大,而且在晶须含量达到23.7%时最大,当大于该含量时,材料的断口分维值下 降。材料断口分维值随着晶须方向角的增大而增大。材料的致密度随着断口分维 值的增大而降低,材料的抗弯强度和断裂韧性随着断口分维值的增大而增大。 对HAP/siCw复合生物陶瓷材料的超声波加工进行了理论分析和试验研究,发 现材料去除率和加工表面粗糙度随着晶须方向角0的增大而减小。在相同的加工条 件下,材料的断裂韧性越高,其材料去除率人的叼天越低。磨料工作液的浓度在1: 4(磨料:水)时最为合适。 关键词:复合材料,HAP/s iCw生物陶瓷,增韧,分形,超声波加工
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TB383

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