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纳米羟基磷灰石/SiC晶须复合生物陶瓷材料及其加工

作　者: 牛宗伟
导　师: 张建华
学　校: 山东大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 复合材料 HAP/SiC_w生物陶瓷 增韧 分形 超声波加工
分类号: TB383
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


羟基磷灰石(Hydroxyapatite,简称HAP)因其良好的生物相容性和骨传导性而成为重要的人工骨移植材料。但合成HAP的力学性能较差,特别是其断裂韧性很低而被严格限制在非动载环境中使用。SiCw可以有效地提高HAP生物陶瓷的强度和断裂韧性,扩大其应用范围。本文对溶胶-凝胶法合成纳米羟基磷灰石进行了热力学分析,用原位复合法制备了HAP/SiCw复合微粉,用热压烧结法得到了HAP/SiCw复合生物陶瓷,对SiCw的增韧机制进行了理论研究和有限元分析,对HAP/SiCw复合生物陶瓷进行了分形分析,最后对HAP/SiCw复合生物陶瓷的超声波加工进行了研究。对溶胶凝胶法合成羟基磷灰石时水溶液中的Ca-P2O5-H2O系和Ca(OH)2-H3PO4-H2O系进行了热力学分析,得出了合成纳米HAP的合适条件:使用二甲基甲酰胺为分散剂,在145-150℃的温度下进行反应可以得到高纯度的纳米羟基磷灰石,并可以避免使用昂贵的高压釜。对纳米羟基磷灰石进行了表征。对热压烧结过程进行了理论分析,得出了热压烧结致密化速率的表达式。首次用原位复合法制备了HAP/SiCw复合微粉。用热压烧结法制备了HAP/SiCw复合生物陶瓷,得出了合理的烧结工艺为:烧结温度1300-1310℃,保温时间30min,烧结压力30-40MPa,保护气氛为氮气。对HAP/SiCw复合生物陶瓷的微观结构和力学性能进行了研究。研究了晶须含量和晶须取向对复合材料微观结构和力学性能的影响。通过理论计算和试验分析得出了HAP/SiCw复合生物陶瓷中SiCw的最大极限含量为23. 7%。试验结果表明,材料的致密度随着晶须含量的增加而降低,当晶须含量小于理论极限值时,材料的抗弯强度和断裂韧性随着晶须含量的增加而增大,当晶须含量大于理论极限值时,材料的抗弯强度和断裂韧性开始下降。当SiCw的体积含量为23. 7%时,复合材料的力学性能最好,抗弯强度190MPa,断裂韧性2. 31MPa·m1/2。分析了晶须取向对复合材料力学性能的影响,发现SiCw择优分布在垂直于热压面内,材料在平行于热压面的方向上力学性能最好,在垂直于热压面的方向上力学性能最差。对剪滞理论进行了修正,得出了晶须端部所受应力的表达式,推导出了预报晶须桥联、晶须拔出、裂纹偏转三者协同增韧效果的表达式。对晶须增韧HAP的微观单元进行了有限元分析,发现在受外力作用时,晶须端部与基体结合处的剪切应力是传递外部载荷的主要方式,晶须端部与基体的结合强度是决定复合材料力学性能的主要因素。 用分形理论对HAP/s iCw复合生物陶瓷的断口SEM图像进行了分析,发现HAP/siCw复合生物陶瓷具有分形特征,材料的断口分维值随着晶须含量的增加而增大,而且在晶须含量达到23.7%时最大,当大于该含量时,材料的断口分维值下降。材料断口分维值随着晶须方向角的增大而增大。材料的致密度随着断口分维值的增大而降低,材料的抗弯强度和断裂韧性随着断口分维值的增大而增大。 对HAP/siCw复合生物陶瓷材料的超声波加工进行了理论分析和试验研究,发现材料去除率和加工表面粗糙度随着晶须方向角0的增大而减小。在相同的加工条件下,材料的断裂韧性越高,其材料去除率人的叼天越低。磨料工作液的浓度在1:4(磨料:水)时最为合适。关键词:复合材料,HAP/s iCw生物陶瓷,增韧,分形,超声波加工

全文目录


摘要  8-10
Abstract  10-12
第1章绪论  12-22
  1.1课题背景和意义  12-13
  1.2生物材料及羟基磷灰石的研究进展  13-17
    1.2.1生物材料的研究进展  13-14
    1.2.2羟基磷灰石研究进展  14-17
  1.3陶瓷烧结理论研究进展  17-18
    1.3.1烧结初期理论  17
    1.3.2烧结中期理论  17-18
    1.3.3烧结后期理论  18
  1.4晶须增韧陶瓷研究进展  18-19
    1.4.1晶须增韧机理研究进展  18-19
    1.4.2晶须的尺寸、形状及含量  19
  1.5分形理论在材料科学中的应用研究现状  19-21
  1.6课题的来源及主要研究内容  21-22
第2章HAP/SiC_w复合生物陶瓷的制备与烧结工艺  22-57
  2.1羟基磷灰石的物理化学性能  22-25
    2.1.1羟基磷灰石的晶体结构  22-24
    2.1.2羟基磷灰石的热膨胀  24-25
    2.1.3羟基磷灰石的力学性质  25
  2.2纳米羟基磷灰石的合成  25-39
    2.2.1原材料与实验表征方法  26-27
    2.2.2材料的表征方法  27-28
    2.2.3sol-gel法合成纳米羟基磷灰石的热力学分析  28-34
    2.2.4sol-gel法合成纳米羟基磷灰石的工艺研究  34-35
    2.2.5纳米羟基磷灰石粉末的表征  35-37
    2.2.6温度对羟基磷灰石相结构的影响  37-39
  2.3HAP/SiC_w复合微粉的制备  39-42
  2.4陶瓷烧结机理研究  42-54
    2.4.1烧结阶段划分  42
    2.4.2固相烧结过程中的热力学问题  42-44
    2.4.3烧结中期气孔稳定性模型  44-47
    2.4.4烧结中期气孔的显微结构模型  47-49
    2.4.5烧结中期致密化方程  49-52
    2.4.6烧结后期致密化方程  52-53
    2.4.7热压烧结致密化机制  53-54
  2.5HAP/SiC_w复合生物陶瓷的制备与烧结工艺  54-56
    2.5.1压力  54
    2.5.2烧结温度的确定  54-56
    2.5.3烧结气氛  56
  2.6本章小结  56-57
第3章HAP/SiC_w复合生物陶瓷的物理力学性能与微观结构  57-71
  3.1物理机械性能的测试  57-59
    3.1.1材料的致密度  57-58
    3.1.2抗弯强度  58
    3.1.3断裂韧性  58
    3.1.4硬度  58-59
  3.2微观结构分析  59
  3.3X射线衍射相分析  59-61
  3.4晶须取向对HAP/SiC_w复合生物陶瓷力学性能和微观结构的影响  61-64
  3.5晶须含量对HAP/SiC_w复合生物陶瓷力学性能与微观结构的影响  64-68
  3.6保温时间对HAP/SiC_w复合生物陶瓷力学性能的影响  68-69
  3.7本章小结  69-71
第4章HAP/SiC_w复合生物陶瓷的增韧机理研究  71-88
  4.1应力传递理论  71-77
    4.1.1用剪滞法分析应力传递  71-75
    4.1.2晶须端部正应力的影响  75
    4.1.3界面的影响  75-77
  4.2晶须增韧效果模型  77-81
  4.3复合材料界面应力分布的有限元计算  81-86
  4.4晶须和基体之间的热失配计算  86-87
  4.5本章小结  87-88
第5章HAP/SiC_w复合生物陶瓷的分形研究  88-100
  5.1分形的定义  88-90
  5.2分形的维数与测定方法  90-93
    5.2.1分形维数  90-92
    5.2.2分形维数的测定  92
    5.2.3实际测量中码尺与分形维数关系  92-93
  5.3HAP/SiC_w复合生物陶瓷的分形特征  93-99
    5.3.1晶须增韧陶瓷基复合生物陶瓷材料的分形结构  94-97
    5.3.2晶须含量与晶须取向对断口分维值的影响  97-98
    5.3.3断口分维值与复合材料力学性能的关系  98-99
  5.4本章小结  99-100
第6章HAP/SiC_w复合生物陶瓷材料的超声波加工  100-104
  6.1试验方法  100-101
  6.2试验结果与讨论  101-103
    6.2.1晶须取向对材料去除率和表面粗糙度的影响  101-103
    6.2.2磨料工作液浓度对材料去除率的影响  103
  6.3本章小结  103-104
结论  104-106
参考文献  106-115
攻读博士学位论文期间发表的学术论文  115-116
致谢  116

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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