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Al_2O_3/Ti基网状复合生物材料的制备

作　者: 王传财
导　师: 孙旭东；修稚萌
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: Al2O3/Ti网状复合材料 抗弯强度 断裂韧性 细胞毒性 生物相容性
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


Al2O3陶瓷是一种生物惰性材料,硬度高,熔点高,化学稳定性好,具有比较高的机械强度和耐磨损性能及化学稳定性,但脆性较大。金属钛生物相容性好,与生物界面结合牢固,弹性模量与人骨接近,耐腐蚀性好,表面易形成氧化膜,塑性和延展性好,其缺点是耐磨性较差。本文研究了Al2O3/Ti网状复合材料的制备及力学和生物性能,可望获得强度和韧性高,耐磨性和化学稳定性好,具有良好的生物相容性的复合材料,具有广阔的应用前景。本文首先研究了钛的不同添加方式对网状复合材料性能的影响,然后通过添加Fe和TiCN作为增韧补强相,以提高材料的韧性和强度。采用热压烧结工艺,制备了Al2O3/Ti、Al2O3/Ti-Fe和Al2O3/Ti-TiCN三种体系的网状复合材料,并检测了复合材料的主要力学性能以及材料的细胞毒性。试验结果表明,Al2O3/20vol%Ti复合材料中Ti呈连续的网状分布。采用Ti为原料时,Al2O3/20vol%Ti网状复合材料力学性能更优,抗弯强度达到182MPa,断裂韧性达到4.1MPa·m1/2,弯曲弹性模量为62.9GPa,基本符合生物材料性能的要求。Al2O3/Ti-Fe复合材料中网状结构更加连续,Fe和Ti的固溶相在Al2O3陶瓷基体中均匀分布,提高了复合材料的力学性能。Fe含量达为2.5vol%时,复合材料相对密度达到99.8%,维氏硬度为14.5GPa。其抗弯强度和断裂韧性分别达到215MPa和5.6MPa·m1/2,相对于Al2O3/20vol%Ti分别提高了18%和37%。TiCN含量为5%时,Al2O3/Ti-TiCN复合材料的维氏硬度为15.9GPa,相对密度为99.0%,弯曲弹性模量为47.4GPa。其抗弯强度达到190MPa,相对于Al2O3/20vol%Ti复合材料提高了4.8%,断裂韧性达到3.8MPa·m1/2,相对于Al2O3/20vol%Ti复合材料下降了7.3%。细胞毒性实验表明,各组复合材料在细胞培养液中1天,3天,7天的L929成纤维细胞的相对增殖度均大于80%,7天时细胞生长状态良好,表面Al2O3/Ti基网状复合材料无细胞毒性,生物相容性好。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-26
  1.1 陶瓷基复合材料  10-20
    1.1.1 陶瓷基复合材料的分类  10-13
    1.1.2 陶瓷基复合材料增韧机理  13-16
    1.1.3 影响延性相增韧陶瓷材料的主要因素  16-20
    1.1.4 基体和增韧相的选择原则  20
  1.2 生物材料的研究现状及前景展望  20-24
    1.2.1 研究现状  21-23
    1.2.2 前景展望  23-24
  1.3 本论文研究目的及意义  24-26
第二章 实验方法  26-42
  2.1 实验原料及设备  26-27
    2.1.1 实验原料  26
    2.1.2 实验设备  26-27
  2.2 试样的制备  27-32
    2.2.1 α-Al_2O_3的造粒  27-29
    2.2.2 网状复合材料的制备  29-32
    2.2.3 试样的处理  32
  2.3 性能的检测  32-42
    2.3.1 密度和气孔率的检测  32-33
    2.3.2 硬度的测量  33-35
    2.3.3 抗弯强度的测量  35-37
    2.3.4 断裂韧性的测量  37-38
    2.3.5 X射线物相分析  38
    2.3.6 扫描电镜观察断口形貌及显微组织  38
    2.3.7 生物相容性的检测  38-42
第三章 结果与分析  42-64
  3.1 钛的添加方式对网状复合材料性能的影响  42-46
    3.1.1 物相分析  42-43
    3.1.2 显微组织和断口形貌  43-45
    3.1.3 Al_2O_3/20vol%Ti网状复合踩料的力学性能  45-46
  3.2 Fe的添加对网状复合生物材料性能的影响  46-55
    3.2.1 物相分析  47-48
    3.2.2 显微组织与断口形貌  48-51
    3.2.3 Al_2O_3/Ti-Fe网状复合材料的力学性能  51-55
  3.3 TiCN的添加对网状复合材料性能的影响  55-60
    3.3.1 物相分析  56
    3.3.2 显微组织与断口形貌  56-58
    3.3.3 Al_2O_3/Ti-TiCN网状复合材料的力学性能  58-60
  3.4 复合材料细胞毒性  60-64
第四章 结论  64-66
参考文献  66-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属复合材料
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