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羟基磷灰石冷喷涂机理与实验研究

张文涛  
【摘要】:羟基磷灰石是一种具有良好生物活性和生物相容性的陶瓷材料,能够与骨结合和诱导骨组织生长,医学上广泛用于骨组织修复。但是块体羟基磷灰石力学性能比较差,抗弯强度和断裂韧性低,极易断裂破坏,大大限制了其在人体承载部位的应用。具有低密度、高强度、高韧性和优异的生物相容性的钛及钛合金,在生物医用材料领域得到广泛的应用。但是随着植入时间的增长,钛及钛合金极易游离出金属离子从而损坏人体组织,最终影响植入质量。羟基磷灰石涂覆到钛及钛合金表面制成的羟基磷灰石生物涂层材料,结合了羟基磷灰石的生物活性和金属基体良好的力学性能,同时可以有效阻止金属离子的释放,得到了越来越多的关注。 目前,羟基磷灰石生物涂层的制备方法主要有:等离子喷涂法、超音速火焰喷涂法、溶胶凝胶法、电泳沉积法、激光熔覆法等等。这些制备方法得到了一定的应用,但是由于工艺过程存在高温、化学反应等造成涂层结合强度不高、生物活性降低以及涂层残余应力等问题。 冷喷涂亦称为冷气体动力喷涂,是以高压气体(氮气、氦气、空气或混合气体)作为负载气体,携带喷涂颗粒在固态下以极高的速度碰撞基板,使颗粒发生强烈的变形而沉积形成涂层。作为一种新兴的喷涂技术,冷喷涂能够制备高质量的金属和非金属涂层,引起了广泛的关注。冷喷涂过程中喷涂颗粒固体状态下冲击基板,有效避免了其它喷涂技术导致涂层的氧化、相变、结晶度差等问题。 本文开发了一套用于制备羟基磷灰石生物活性陶瓷涂层的冷喷涂实验系统。系统有以下几个部分组成:高压气源、工作台、送粉器、喷枪、基体加热装置和控制软件。高压气源为冷喷涂实验系统提供了稳定的动力;工作台实现喷枪的精确定位和移动;送粉器利用超声波原理能够均匀和微量送粉;喷枪的结构设计能够使负载气体和喷涂颗粒获得良好的加速性能;控制软件开发完善了系统的控制。有别于传统的冷喷涂装置,开发的冷喷涂实验系统对基体进行加热,加热温度远低于羟基磷灰石熔点,目的是促进羟基磷灰石与基体的结合。 利用计算流体力学软件Fluent,数值模拟羟基磷灰石冷喷涂气固两相流场。分析了气体的加速过程以及不同因素对气体加速性能的影响。通过正交因素表,安排了影响颗粒速度的因素和水平,考察了各种因素对颗粒加速过程的影响。通过直观分析和方差分析方法,可以得出喷管的喉部直径和出口直径对颗粒的速度影响显著;而直管段长度和基板距离对颗粒的速度影响不是很大。通过膨胀率这一参数,观察了喉部直径和出口直径对颗粒速度的交互作用。拉瓦尔喷管存在的最优膨胀率区间为1.5-4,区间内的喷管能够获得良好的加速性能。气体的压强和颗粒的直径对颗粒速度有很大的影响。随着压强的增大,颗粒速度提高;颗粒直径越小,颗粒速度越大。但是颗粒直径太小,其加速过程容易波动。 应用修正德鲁克-普拉格本构模型来模拟羟基磷灰石粉体高应力和应变状态下宏观力学性能。通过三个单轴实验标定模型参数,获得粉体准确的应力状态。通过实验与仿真的比较验证模型的适用性。仿真结果表明,模型能够量化羟基磷灰石粉体的力学性质,能够获得实验中羟基磷灰石粉体应力分布。 应用ABAQUS/Explicit有限元软件进行了羟基磷灰石颗粒冲击钛板的数值模拟。对撞击过程的变形和应力进行了描述,展现了羟基磷灰石的碰撞过程。运用正交因素表安排了三因素三水平仿真试验,结果表明羟基磷灰石的速度对粒子的碰撞行为有很大的影响。进行了羟基磷灰石颗粒速度与基板温度的单因素试验,结果表明随着颗粒速度的增加,碰撞界面的接触压力增大,随着基板温度的增加碰撞界面的接触压力同样增大,但是基板温度超过300℃以后,接触压力增幅变小。 利用开发的冷喷涂系统制备了不同工艺参数下的羟基磷灰石涂层,讨论了工艺参数对涂层表面形貌和厚度的影响。羟基磷灰石涂层总体上具有一定的致密度,由颗粒破碎堆积形成。表面多有孔隙和微裂纹的存在。随着气体压强的增加,涂层的组织和厚度都相应得到改善,涂层的厚度在0.7MPa时可以达到45μm。基板温度的升高能够导致涂层界面残余应力并引起微裂纹的增加。颗粒粒径对涂层的微观形貌没有太大的影响。喷涂距离和喷涂时间的增加都会使涂层厚度增大。 本文依托国家自然科学基金项目(项目号:50875109)和博士点基金项目(项目号:20070183101),对羟基磷灰石生物活性陶瓷涂层的制备进行了理论和实验研究。研究表明,采用冷喷涂技术制备羟基磷灰石生物活性陶瓷涂层是可行的。课题为制备具有良好生物相容性和生物活性的羟基磷灰石生物涂层,提供了一种可行方案和理论依据。


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