NiTi/Ti-Ag梯度合金组织演变及力学与抗菌性能研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhouly1982
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近等原子比NiTi合金不仅具有优异的力学性能、良好的抗腐蚀性和生物相容性,而且具有独特的形状记忆性能和超弹性,因此在医学领域中的应用较广泛。但是临床应用中发现,NiTi合金的弹性模量(55GPa左右)与人骨弹性模量(320GPa)不匹配,植入人体后容易在骨组织-植入物界面处产生应力-屏蔽效应,导致材料松动或断裂。同时其属于生物惰性材料,与人体组织之间难以形成骨性结合,会降低植入体的使用寿命。通过材料多孔化可降低弹性模量,并可以促进骨组织向内生长和血管化,容易形成稳定的生物固定(骨整合)。然而多孔结构会导致合金的强度显著下降,限制了其应用范围。针对以上问题,本论文设计了NiTi/表面多孔Ti-Ag梯度合金,中间为块体合金,周围为多孔层。NiTi合金基体保持材料具有优异的力学性能、耐蚀性能和生物相容性,同时表面多孔Ti-Ag层可以为材料提供良好的生物活性和抗菌性能,从而改善和提高NiTi合金在临床应用中存在的问题。在前期工作基础上,本文采用放电等离子烧结技术(SPS)制备了NiTi/表面多孔Ti-Ag梯度合金,研究了烧结温度及Ag含量对梯度合金微观组织、界面结合、表面孔隙特征、力学性能、体外生物活性及抗菌性能的影响及机理。并得出以下结论:随温度升高,NiTi/表面多孔Ti梯度合金组织由NiTi、a-Ti、Ni、Ti2Ni、Ni3Ti混合相逐渐转变为单一NiTi和a-Ti相,内外层界面形成稳定冶金结合,表面孔隙率和平均孔径呈缓慢减小趋势。950℃制备的NiTi/表面多孔Ti-Ag梯度合金中间基体主要由奥氏体NiTi相(B2)和单斜马氏体NiTi相(B19’)组成,同时还存在少量次生相Ti2Ni相,表面多孔层主要由α-Ti、Ti Ag和Ti2Ag相组成,内外层界面形成稳定冶金结合,Ag含量增加对梯度合金表面孔隙率和平均孔径影响不大。随温度升高,NiTi/表面多孔Ti梯度抗压强度值呈明显增大趋势(由179.8MPa提高到632.0MPa),而弹性模量值变化较小(3.5GPa9.0 GPa),梯度合金的力学性能与梯度合金的组织演变、界面结合、表面孔隙特征及基体合金致密度密切关联。低温时梯度合金中存在较多杂相,界面存在缺陷且基体致密度较差,因此强度较低;随温度升高,杂相减少,界面结合良好,基体致密度提高,强度大幅度提升。随Ag含量的提高,NiTi/表面多孔Ti-Ag梯度合金的抗压强度呈增大趋势,而压缩弹性模量则呈缓慢增大趋势,但变化不明显。表面多孔层中加入Ag元素与Ti元素发生反应形成了Ti Ag和Ti2Ag相,起到了固溶强化作用,因而梯度合金的抗压强度呈增大趋势。在人工模拟体液中浸泡14天后,梯度合金比块体合金诱导磷灰石形成能力强,显示了优异的体外生物活性,同时Ag的加入显著提高了梯度合金的抗菌性能,Ag含量越高抗菌性能增强。
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