專利名稱：鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法。
背景技術(shù)：
羥基磷灰石(HA)具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性、骨傳導(dǎo)性，因此羥基磷灰石在生物硬組織的修復(fù)、替換及提高硬組織的功能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但由于羥基磷灰石脆性較大，無法滿足機(jī)體對其力學(xué)性能的要求。金屬材料鈦(Ti)因其優(yōu)異的力學(xué)性能和生物性能目前在臨床應(yīng)用中最廣泛，因此綜合HA良好的生物相容性和Ti良好的機(jī)械性能來制備復(fù)合材料備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。目前主要是利用粉末冶金法采用熱壓燒結(jié)工藝制備HA/Ti復(fù)合材料，國外也有制備Ti-6A1-4V/HA復(fù)合材料的報(bào)道。雖然研究發(fā)現(xiàn)通過引進(jìn)金屬鈦(Ti)或其合金可以提高純HA陶瓷的韌性，但采用的熱壓等燒結(jié)工藝只能作形狀簡單的制品，且成本高。此外，Ti的存在誘發(fā)HA的分解，并且會和HA的分解產(chǎn)物繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致最終形成的燒結(jié)體中只有很少量的Ti或幾乎沒有Ti保留于基體中。因此如何低成本獲得力學(xué)性能優(yōu)良、形狀易控的HA/Ti復(fù)合材料成為目前急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有羥基磷灰石(Caltl (PO4) 6 (OH) 2)基陶瓷復(fù)合材料在性能上的不足，提供一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法，通過向HA/ Ti復(fù)合材料中引入鐵，并采用真空燒結(jié)制備出具有優(yōu)良力學(xué)性能和生物學(xué)性能的羥基磷灰石基陶瓷復(fù)合材料。本發(fā)明的鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行
1、將鈦粉和鐵粉混合，鈦粉占全部物料總重量的50、0%，然后以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合磨細(xì)，至全部物料的顆粒尺寸為廣5 μ m，制成復(fù)合粉體；
2、將復(fù)合粉體與HA粉末混合制成混合粉末，復(fù)合粉體占混合粉末總重量的5 20%， 然后將混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻，再在80士5°C條件下烘干去除乙醇獲得 HA/Ti-Fe 粉體；
3、將HA/Ti-i^e粉體通過單向壓制或冷等靜壓方式成型，制成素坯；
4、將素坯在真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為90(Γ1200 ，保溫時(shí)間為45 300min，獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料。上述的鈦粉的初始粒度為300 500目，鐵粉的初始粒度為300 500目。上述的球磨后的Ti-Fe復(fù)合粉體的顆粒尺寸為廣5Mffl。上述的HA粉末顆粒尺寸為8(T200mm。上述的真空條件燒結(jié)時(shí)的真空度為l(T50Pa。本發(fā)明的鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料與傳統(tǒng)的HA/Ti復(fù)合材料相比，具有如下特點(diǎn)
1、羥基磷灰石基生物陶瓷材料中引入狗，能夠抑制生物陶瓷材料在使用過程中HA的分解及與Ti的反應(yīng)，使韌性相Ti保留在了 HA基體中；
2、羥基磷灰石基生物陶瓷材料中引入的狗促進(jìn)了Ti原子的擴(kuò)散，使界面反應(yīng)得到了控制，經(jīng)低成本的真空燒結(jié)，在較低的溫度下燒結(jié)后，所得的復(fù)合材料具有較高的致密度；
3、生物陶瓷材料中Ti-Fe增強(qiáng)顆粒在HA基體中呈一種新穎的由富Ti殼和富狗核組成的蛋殼狀結(jié)構(gòu)，分布?xì)拥捻g性相Ti，對陶瓷材料力學(xué)性能的提高具有重要的作用；鈦鐵的混合比例是根據(jù)Ti-Fe 二元相圖確定
4、生物陶瓷材料中少量Ti-狗顆粒的添加便可明顯提高HA的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞性能，此外，F(xiàn)e的引入使復(fù)合材料在模擬體液環(huán)境中的長期穩(wěn)定性得到提高。本發(fā)明的方法工藝簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，制備的生物陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)良力學(xué)性能和生物學(xué)性能。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中的鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明實(shí)施例4中的鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例中采用的HA粉末為市購產(chǎn)品。本發(fā)明實(shí)施例中冷等靜壓成型選用的設(shè)備為立式冷等靜壓機(jī)，模壓成型選用的設(shè)備為FY-I型100噸液壓機(jī)。本發(fā)明實(shí)施例中采用的鈦粉和鐵粉為市購產(chǎn)品。本發(fā)明實(shí)施例中以無水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨時(shí)，無水乙醇的用量以浸沒物料為準(zhǔn)。本發(fā)明實(shí)施例中燒結(jié)選用的設(shè)備為真空馬弗爐。本發(fā)明實(shí)施例中制備的鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的氣孔率為 0. 3 10%，相對密度為85 95%，抗彎強(qiáng)度為86 95MPa，斷裂韌性為0. 6 1. 4 MPa · m1/20實(shí)施例1
將粒度均為30(Γ500目的鈦粉和鐵粉混合，鈦粉占全部物料總重量的50%，然后以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合磨細(xì)，至全部物料的顆粒尺寸為廣5 μ m，制成復(fù)合粉體；
將復(fù)合粉體與顆粒尺寸為8(T200mm的HA粉末混合制成混合粉末，復(fù)合粉體占混合粉末總重量的5%，然后將混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻；再在80士5°C條件下烘干去除乙醇獲得HA/Ti-Fe粉體；
將HA/Ti-Fe粉體在200MPa條件下冷等靜壓成型，保壓時(shí)間5min，制成素坯； 將素坯置于真空馬弗爐中，在真空度為1(Γ50Ι^條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900°C， 保溫時(shí)間為300min，獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料，氣孔率為10%，相對密度為85%，抗彎強(qiáng)度為86MPa，斷裂韌性為0. 6 MPa · m1/2 ；其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，Ti-Fe顆粒在HA基體中呈蛋殼狀的結(jié)構(gòu)特征，其中白色區(qū)域?yàn)楹耍疑珔^(qū)域?yàn)闅?；EDS對蛋殼狀結(jié)構(gòu)的元素分布分析結(jié)果表明，核區(qū)為富狗相，殼區(qū)為富Ti相；
將鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料進(jìn)行體外浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該陶瓷材料在SBF中的溶解度與傳統(tǒng)的HA/Ti復(fù)合材料相比明顯降低，表面有類磷酸鹽礦物質(zhì)形成， 即該材料在模擬體液環(huán)境中既具有一定的生物穩(wěn)定性也具有一定的生物活性。實(shí)施例2
將粒度均為30(Γ500目的鈦粉和鐵粉混合，鈦粉占全部物料總重量的60%，然后以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合磨細(xì)，至全部物料的顆粒尺寸為廣5 μ m，制成復(fù)合粉體；
將復(fù)合粉體與顆粒尺寸為8(T200mm的HA粉末混合制成混合粉末，復(fù)合粉體占混合粉末總重量的10%，然后將混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻；再在80士5°C條件下烘干去除乙醇獲得HA/Ti-Fe粉體；
將HA/Ti-Fe粉體在200MPa條件下冷等靜壓成型，保壓時(shí)間5min，制成素坯； 將素坯置于真空馬弗爐中，在真空度為1(Γ50Ι^條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000°C， 燒結(jié)時(shí)間為200min，獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料，氣孔率為0. 3%，相對密度為95%，抗彎強(qiáng)度為95MPa，斷裂韌性為0. 8 MPa · m1/2 ；
將鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料進(jìn)行體外浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該陶瓷材料在SBF中的溶解度與傳統(tǒng)的HA/Ti復(fù)合材料相比明顯降低，表面有類磷酸鹽礦物質(zhì)形成， 即該材料在模擬體液環(huán)境中既具有一定的生物穩(wěn)定性也具有一定的生物活性。實(shí)施例3
將粒度均為30(Γ500目的鈦粉和鐵粉混合，鈦粉占全部物料總重量的70%，然后以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合磨細(xì)，至全部物料的顆粒尺寸為廣5 μ m，制成復(fù)合粉體；
將復(fù)合粉體與顆粒尺寸為8(T200mm的HA粉末混合制成混合粉末，復(fù)合粉體占混合粉末總重量的15%，然后將混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻；再在80士5°C條件下烘干去除乙醇獲得HA/Ti-Fe粉體；
將HA/Ti-Fe粉體裝入模具中在200MPa條件下單向壓制成型，制成素坯； 將素坯置于真空馬弗爐中，在真空度為1(Γ50Ι^條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100°C， 燒結(jié)時(shí)間為lOOmin，獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)羥基磷灰石基生物陶瓷復(fù)合材料，氣孔率為5%，相對密度為90%，抗彎強(qiáng)度為92MPa，斷裂韌性為1. 2 MPa · m1/2 ；
將鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料進(jìn)行體外浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該陶瓷材料在SBF中幾乎沒有溶解，也沒有觀察到新生顆粒的沉積，表現(xiàn)出極佳的生物穩(wěn)定性。實(shí)施例4
將粒度均為30(Γ500目的鈦粉和鐵粉混合，鈦粉占全部物料總重量的80%，然后以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合磨細(xì)，至全部物料的顆粒尺寸為廣5 μ m，制成復(fù)合粉體；
將復(fù)合粉體與顆粒尺寸為8(T200mm的HA粉末混合制成混合粉末，復(fù)合粉體占混合粉末總重量的20%，然后將混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻；再在80士5°C條件下烘干去除乙醇獲得HA/Ti-Fe粉體；
將HA/Ti-Fe粉體在200MPa條件下冷等靜壓成型，保壓時(shí)間為5min，制成素坯； 將素坯置于真空馬弗爐中，在真空度為1(Γ50Ι^條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200°C， 燒結(jié)時(shí)間為45min，獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料，氣孔率為3%，相對密度為91%，抗彎強(qiáng)度為91MPa，斷裂韌性為1. 4 MPa · m1/2 ；其微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示，Ti-Fe顆粒在HA基體中呈蛋殼狀的結(jié)構(gòu)特征，其中白色區(qū)域?yàn)楹耍疑珔^(qū)域?yàn)闅?；EDS對蛋殼狀結(jié)構(gòu)的元素分布分析結(jié)果表明，核區(qū)為富狗相，殼區(qū)為富Ti相；
將鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料進(jìn)行體外浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該陶瓷材料在SBF中幾乎沒有溶解，也沒有觀察到新生顆粒的沉積，表現(xiàn)出極佳的生物穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)將鈦粉和鐵粉混合，鈦粉占全部物料總重量的50、0%，然后以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合磨細(xì)，至全部物料的顆粒尺寸為廣5 μ m，制成復(fù)合粉體；(2)將復(fù)合粉體與HA粉末混合制成混合粉末，復(fù)合粉體占混合粉末總重量的5 20%， 然后將混合粉末以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻，再在80士5°C條件下烘干去除乙醇獲得 HA/Ti-Fe 粉體；(3)將HA/Ti-Fe粉體單向壓制成型或冷等靜壓成型，制成素坯；(4)將素坯在真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為90(T120(TC，燒結(jié)時(shí)間為45 300min， 獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的鈦粉的粒度為30(Γ500目，所述的鐵粉的粒度為30(Γ500目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的HA粉末顆粒尺寸為8(T200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟(4)所述的真空條件下進(jìn)行燒結(jié)時(shí)的真空度為l(T50Pa。
全文摘要
一種鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料的制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，按以下步驟進(jìn)行將鈦粉和鐵粉混合，以球磨混合磨細(xì)，制成復(fù)合粉體；將復(fù)合粉體與HA粉末混合制成混合粉末，以無水乙醇為介質(zhì)球磨混合均勻，下烘干去除乙醇獲得HA/Ti-Fe粉體；將HA/Ti-Fe粉體單向壓制成型或冷等靜壓成型，然后在真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，獲得鈦鐵顆粒增強(qiáng)的羥基磷灰石基生物陶瓷材料。本發(fā)明的方法工藝簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，制備的生物陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)良力學(xué)性能和生物學(xué)性能。
文檔編號C04B35/74GK102303977SQ201110134929
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者岳新艷, 常青, 王偉, 茹紅強(qiáng) 申請人:東北大學(xué)