多孔钛的制备及力学性能研究

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钛及钛合金具有良好的生物相容性、力学性能和耐腐蚀性,使其在生物植入材料中得到广泛的应用;由于孔隙的引入,有效降低了多孔钛的弹性模量,避免了出现“应力屏蔽”的现象,而且其独特的多孔结构有利于骨组织的长入,成为近年来研究的热点。为满足生物植入材料的要求,本文在传统粉末冶金方法的基础上采用造粒-松装烧结法制备多孔钛植入体。造粒-松装烧结法具有操作简单,成本低等优点,并且制备出的多孔钛具有双峰孔结构。本文详细研究了造粒-松装烧结法的工艺方法及参数(粘结剂的选择,粘结剂浓度及固液比,烧结温度等),制备出了具有双峰孔结构的多孔钛,表征了其物理性能、孔隙特征以及力学性能,并研究了烧结温度对多孔钛的孔隙特征和力学性能的影响,分析了多孔钛化学成分及孔径分布。首先对粘结剂的选择、粘结剂浓度及固液比对造粒过程的影响进行了研究。结果表明,粘结剂选用聚乙烯醇,当浓度为2wt%,固液比为10:1时,制备的钛团粒较均匀,强度适中,满足后续烧结的要求。随后研究了烧结温度和团粒粒度对多孔钛表面形貌、孔隙率和力学性能的影响进行了研究。结果表明,烧结温度对多孔钛的物理性能及表面形貌有着十分显著的影响,采用松装烧结的方式时,多孔钛的孔隙度随着烧结温度的逐渐升高,呈线性下降,烧结颈变粗,微孔形状逐渐呈圆形,多孔钛的压缩强度及弹性模量上升。研究中还发现随着团粒粒度的增大,多孔钛的压缩强度明显上升;当烧结温度为1150℃时,该法制备出了同时包含100~400μm的大孔孔径及十几μm的微孔;不同团粒制备出的多孔钛孔隙度分别为66%、64%、62%,压缩强度分别为18MPa、39MPa、43MPa,能够满足人体松质骨的要求。另外,造粒-松装烧结法制备的多孔钛C、O及N含量满足ISO5832-2(Ti Grade4)对生物植入材料的化学成分的要求。本文受到国家“973”计划“烧结金属复合材料基础研究”(2010CB735807)资助,依托西北有色金属研究院的金属多孔材料国家重点实验室完成。
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