纳米金刚石增强钛基复合材料的制备与性能

【摘要】：纳米金刚石(ND_s)具有高强度、高硬度、耐磨性好及无毒性等突出的优点,在复合镀层、磨料磨具、医用药物载体等方面均有应用,但其作为增强相强化金属基体的研究仍处于初级阶段,国内外针对纳米金刚石增强钛基复合材料的研究很少。纳米金刚石结合钛的优良性能获得的复合材料,在生物医用外科植入物等领域具有潜在的应用价值和广阔的应用前景。因此,本论文对致密与多孔的纳米金刚石增强钛基复合材料的制备工艺、微观组织结构与性能进行了系统的研究。本文基于固溶度理论和强化理论设计研究思路,即设定不同的纳米金刚石含量(0、0.1wt%、0.25 wt%、0.35 wt%、0.5 wt%)与尺寸(5 nm、100 nm、200 nm、3μm),采用放电等离子烧结工艺(SPS)制备钛基复合材料。首先以5nm的金刚石为研究对象并设定其含量为变量,研究结果表明,当烧结温度为1173 K,保温10 min,烧结压力为60 MPa时,复合材料致密度可达99.3%。复合材料的显微硬度与杨氏模量随ND_s含量的增加而增大,屈服强度呈现先增后减的趋势。其中0.35wt.%ND_s/T_i具有最佳综合力学性能:与纯钛相比,硬度(52.3%)和压缩屈服强度(23.7%)显著增加,杨氏模量(129 GPa)可接受,延展性(49%)少许降低。0.35 wt.%ND_s/T_i复合材料耐磨损性能最好(200 N载荷时,磨损率比纯钛低71.5%),磨损机制由纯钛的剥层磨损过渡到ND_s/T_i复合材料的磨粒磨损。导热系数随着ND_s含量的增加而降低,但整体降低范围在2 W/(m·k)左右。在25℃生理盐水与SBF溶液中,0.25 wt.%与0.35 wt.%ND_s/T_i样品致密且ND_s与T_iC难以腐蚀,表现为复合材料的耐腐蚀性能较好。另外,ND_s/T_i复合材料没有细胞毒性,其细胞存活率比空白对照组高6.7%。ND_s/T_i复合材料最主要的增强机理为弥散强化;碳原子固溶强化为第二增强机理。基于ND_s含量的研究结果,设定金刚石含量为0.35 wt%,以ND_s尺寸为变量,以同样的烧结工艺下制备钛基复合材料。复合材料的致密度可达99.2%。5 nm与3μm金刚石对复合材料的增强效果较好,其中5nmND_s/T_i复合材料的硬度较纯钛增加27.4%,两种材料的屈服强度较高,其σ_(0.2)值分别为1024 MPa和1039 MPa。当金刚石尺寸由5 nm逐渐增至100 nm和200 nm时,弥散强化作用削弱,复合材料的力学性能变差;极限压缩应变由51%(5 nm)降至39%(3μm)。5 nm ND_s/T_i复合材料具有最佳综合力学性能,硬度与屈服强度显著增加,延展性较好。3μm金刚石的钛基复合材料强度和硬度均较高,但同时降低了材料的延展性。微纳米金刚石颗粒使得ND_s/T_i复合材料的耐磨损性显著提高,其中金刚石尺寸为5 nm的复合材料耐磨损性能最好(200 N载荷时,磨损率比纯钛低74.2%)。复合材料的导热系数随着金刚石尺寸的增加而增加,但总体上升范围较小,约为1 W/(m·k)。在25℃生理盐水与SBF溶液中,5 nm ND_s的复合材料耐腐蚀性能较好。由此说明尺寸为5 nm的0.35wt.%ND_s/T_i复合材料综合性能最优,这是纳米尺寸效应导致的结果。在致密钛基复合材料研究的基础上,采用SPS烧结-脱溶工艺,分别在993K、1123K的烧结温度,40MPa的烧结压力下保温10 min,成功制备NaCl与NaF造孔的5 nm ND_s/T_i多孔材料。X-CT结果表明,当孔隙率为60%时,孔洞在两种大小孔径的多孔材料中均匀分布,粒径分别集中在280~320μm与36-106μm之间。随着孔隙率增至70%,孔壁变薄,出现孔洞坍塌或大面积连通现象。其中60%孔隙率的多孔钛中,0.35 wt.%ND_s/T_i的屈服强度均达到最高,即62.54 MPa与136.48 MPa,比相同孔隙率的纯钛高65.27%与18.27%。随着孔隙率由55%增至70%,多孔材料的屈服强度持续降低,SEM分析表明强化相主要是ND_s。随孔隙率提高,孔径分布及脱溶残留的ND_s增强颗粒分布不均匀,由此产生应力集中造成多孔材料力学性能下降。综合分析,大孔的钛基复合材料可望应用于生物医学领域,小孔的复合材料可望应用于腐蚀性环境中的过滤分离领域。