Ni-Ti/HA复合材料制备及热弹性马氏体相变增韧机制研究

论文摘要

HA是一种新型的生物材料,与人体骨骼的主要无机成分十分相似,但由于其本身力学性能较差、强度低、脆性大,导致其很难直接作为生物材料用于人体中。目前,国内外研究多数倾向于制备各种羟基磷灰石的复合材料,使其达到增韧的效果,但为了不影响HA生物陶瓷本身的生物学性能,要求增韧相本身也应对应具备生物材料的要求。而NiTi合金（原子比1：1）作为最常应用的一类生物合金材料,本身就满足了生物材料的基本要求,而它独特的热弹性马氏体相变的性能,使其在宏观呈现出形状记忆效应跟超弹性。本研究就利用NiTi合金的这种热弹性马氏体相变来实现对HA生物陶瓷的增韧,这种增韧机理与通常采用的Zr02相变增韧有着本质的区别,NiTi合金在常温下就可以通过应力诱发产生热弹性马氏体相变,而不需要基体相的约束力来辅助这种相变的完成,除此之外,NiTi合金颗粒也会具有一般颗粒弥散增韧机制,可以利用其本身金属颗粒的塑性变形来进一步实现增韧的效果。利用NiTi合金颗粒增韧HA生物陶瓷,是一次全新的有前景的尝试,它实现了最常见的生物医用无机材料（HA）与合金材料（NiTi）的优势结合,有望产生一类新的更加理想的生物医用复合材料。本文以Ca（NO3）2和（NH4）2HPO4为主要原料采用化学沉淀方式来制备HA粉体,通过参数调整以及预烧处理,可以得到具有一定结晶程度的纳米级别的HA粉体,形貌为短棒状,长径在80-100nnm范围内,短径在20-30nnm范围内,并且粒径分布较为均匀。将制备的HA粉体与NiTi颗粒,按照NiTi质量比为3%、5%、7%及10%进行均匀混合,然后将复合粉体在氩气保护下热压烧结,烧结压强为30MPa,烧结温度分别为1000℃、1100℃及1200℃并保温1h,从而得到NiTi/HA复合材料；通过对不同配比及不同烧结温度的复合材料试样进行抗弯强度以及断裂韧性的测试,结果表明在NiTi/HA复合材料中,NiTi相的加入对复合材料的致密度影响不大,而随着NiTi相的增加复合材料的抗弯强度会有部分损失,但材料的断裂韧性却会随着NiTi相的增加呈现先升高后下降的趋势。通过对比测试将NiTi/HA复合材料的最佳烧结温度选择为1100℃,此烧结温度下的最佳配比是NiTi的质量分数为5%,而此时对应的断裂韧性将达到1.375MPa·m1/2,比同温度下的纯HA提升将近30%。在对NiTi/HA复合材料进行透射电镜以及金相显微镜的观察中,可以观察到NiTi合金相变马氏体的存在,从而证明实现了马氏体相变增韧的预期效果；而对复合材料进行表面形貌分析,可以看出在断裂过程NiTi合金也确实起到了抑制裂纹扩展与使裂纹发生偏转的增韧作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 羟基磷灰石（HA）的研究现状及基本性质
• 1.1.1 羟基磷灰石的研究现状
• 1.1.2 羟基磷灰石的基本性质
• 1.1.3 羟基磷灰石的生物学性能及应用
• 1.2 NiTi形状记忆合金研究现状及基本性质
• 1.2.1 形状记忆合金研究现状
• 1.2.2 形状记忆效应的分类
• 1.2.3 NiTi形状记忆合金的基本性质
• 1.2.3.1 NiTi形状记忆合金中各相的晶体结构
• 1.2.3.2 NiTi形状记忆合金的相变机制
• 1.2.3.3 NiTi合金的形状记忆效应与超弹性
• 1.2.4 NiTi合金的生物学性能及应用
• 1.2.4.1 NiTi合金的生物学性能
• 1.2.4.2 NiTi合金的应用
• 1.3 课题的提出
• 1.4 研究内容
• 第二章 实验过程与方法
• 2.1 本课题采用的工艺路线
• 2.2 NiTi合金颗粒的指标检测
• 2.3 化学沉淀法制备羟基磷灰石粉体
• 2.4 NiTi合金颗粒与HA复合材料的制备
• 2.5 复合材料样品的测试与表征
• 2.5.1 复合材料相分析
• 2.5.2 复合材料力学性能测试
• 2.5.2.1 复合材料抗弯强度测试
• 2.5.2.2 复合材料断裂韧性
• 2.5.2.3 复合材料致密度的测试
• 2.5.2.4 形貌与微观结构观察
• 第三章 NiTi合金颗粒的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料及测试设备
• 3.3 NiTi合金颗粒物相的分析
• 3.4 NiTi合金颗粒相转变温度的分析
• 3.5 NiTi合金颗粒形貌及晶体结构分析
• 3.6 结果与讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 羟基磷灰石粉体的制备及测试
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料及仪器设备
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验设备及仪器
• 4.3 化学沉淀法制备羟基磷灰石粉体
• 4.4 羟基磷灰石粉体XRD物相分析
• 4.5 羟基磷灰石粉体的透射电镜分析
• 4.6 结果与讨论
• 4.7 本章小结
• 第五章 NiTi/HA复合材料的制备及分析测试
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料及仪器设备
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验仪器及设备
• 5.3 HA粉体与NiTi颗粒的混合
• 5.4 复合材料试样条的制备
• 5.5 复合材料XRD相分析
• 5.6 复合材料致密度及力学性能测试
• 5.7 复合材料微观结构分析
• 5.7.1 复合材料的透射电镜及金相显微镜的分析
• 5.7.2 复合材料的扫描电镜形貌及断口元素分析
• 5.8 结果与讨论
• 5.9 本章小结
• 第六章 NiTi/HA复合材料增韧机理研究
• 6.1 NiTi合金马氏体相变增韧机理
• 6.2 NiTi合金颗粒增韧机理
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表