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HA/316L不锈钢生物功能梯度材料研究

邹俭鹏  
【摘要】:羟基磷灰石(HA)具有优良的生物相容性,作为人工骨已广泛应用于骨缺损的修复,但其力学性能较差,限制了其作为承重骨的使用;而临床上普遍应用的力学性能优越的金属植入体316L不锈钢(以下简称316L)因其生物相容性较差而导致炎症等不良反应。制备兼具二者性能优点的复合材料已成为当今生物材料领域的研究热点之一。本论文围绕这一重要课题,采用粉末冶金法制备了HA/316L生物复合材料;并针对HA/316L两相热应力不匹配的问题,制备了热应力缓和的HA/316L生物功能梯度材料(FGM),对其力学性能、物相组成、显微结构以及生物相容性评价进行了较系统深入的研究。 首先制备了HA和ZrO_2(CaO)纳米粉末。结果表明:随着HA前驱体煅烧温度的逐渐升高,HA晶化程度越来越高,其最佳制备工艺为以5℃·min~(-1)升温速率升至750℃后保温2h。通过对HA晶粒尺寸和煅烧温度的相关计算求得HA的生长活化能为24.8kJ·mol~(-1),并提出HA晶粒长大主要为界面扩散控制机制。采用化学共沉淀与共沸蒸馏相结合在600℃至1100℃温度范围内热处理后可得到掺杂5mol%CaO的四方相ZrO_2(CaO)纳米粉末,该纳米粉末由四方相向单斜相转变的临界温度为1234.5℃,高于纯氧化锆纳米粉的转变温度,初步推断是由于稳定剂氧化钙的存在所致。 通过真空烧结制备了HA/316L粉、HA/316L纤维和HA-ZrO_2(CaO)/316L纤维系列生物复合材料,综合力学性能顺序为HA/316L粉系HA/316L纤维系HA-ZrO_2(CaO)/316L纤维系。三个体系复合材料微观组织均随成分变化呈规律变化,HA/316L粉(或HA/316L纤维)界面结合紧密,两相融合程度高。HA/316L粉系中两相之间发生了一定量的成分互扩散,且基体元素Ca、P的扩散能力强于增强相元素Fe;而HA/316L纤维和HA-ZrO_2(CaO)/316L纤维系仅存在316L纤维中Fe元素向HA基体的单向扩散行为。 首次研究了316L纤维的长度、直径与含量对HA-ZrO_2(CaO)/316L纤维生物复合材料的力学性能的影响规律。结果表明:纤维直径为40μm的复合材料力学性能优于纤维直径为50μm的复合材料;纤维长度为0.8~1.2mm的复合材料力学性能优于纤维长度为2~3mm的复合材料;随着纤维体积分数增大,纤维之间相互接触而导致在复合材料中形成的微孔增多,并成为微裂纹源,导致材料力学性能下降。含20vol%直径为40μm、长度为0.8~1.2mm的316L纤维的


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