一种核壳-梯度结构医用高强低弹钛锌复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种核壳

【技术实现步骤摘要】
一种核壳
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梯度结构医用高强低弹钛锌复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种核壳
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梯度结构医用高强低弹钛锌复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]钛具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，对人体无毒、无副作用。在密度低，重量轻的同时具备优异的力学性能。因此，钛被广泛应用于骨科植入材料、牙科植入物、人工心脏瓣膜等场景，也是医疗手术器械的优良原材料。钛是生物医用金属材料领域的研究重点。但钛作为医用材料仍存在一些不足。纯钛不具备抗菌性能，在植入过程中的细菌感染或植入后的炎症可能导致手术失败。纯钛是生物惰性材料，植入物不能与人体组织建立紧密联系，导致植入物松动。此外，尽管纯钛的弹性模量低于不锈钢等传统植入材料，但仍高于人骨，因此作为骨植入材料植入人体后过分承担载荷，而骨骼长期无法得到适当的负荷，就会导致骨质疏松症，这也是金属植入材料常见的“应力屏蔽”效应。合金化工艺是降低纯钛弹性模量的有效途径。
[0003]生物可降解金属材料可在生物体内环境中逐步降解，并且降解产物对生物体无毒，甚至可对生物组织修复产生积极影响。因此，生物可降解金属材料成为近年医用材料领域研究的热点。常见可降解金属材料有铁、镁、锌三种。铁材料在人体内降解速度过慢，且其弹性模量与人骨差别较大，作为承载部位替代品时应力屏蔽效应明显。镁材料降解过快，且降解过程中会产生氢气，不利于植入物与人体组织建立融合关系。锌材料是人体必需微量元素，在人体中降解速度适中，且具有抗菌、促进成骨功能，是可降解金属植入材料的优良选择。但同时，锌材料的力学性能较差，难以满足承载部位的力学性能要求。
[0004]综上，有机结合钛的力学、耐蚀性能和可降解锌的生物特性是一个具有良好前景的生物医用可降解金属材料研究方向。
[0005]由于钛和锌的熔点差距过大，用传统铸造等工艺制备钛锌复合材料是难以实现的，而通过烧结等固相扩散手段制备是一种可行的思路。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)是一种新型快速烧结技术，其将直流脉冲电流引入烧结过程，压头和模具在向材料施加压力的同时也充当电流通过的载体，即可实现在加压的同时利用电流加热，能将粉末材料在相对较低的温度下快速烧结成致密的块体材料。SPS技术由于其独特的特点，可能为钛锌材料的粉末冶金制备开辟一条新路径。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，在本专利技术的第一方面，提供了一种具有高强度和低弹性模量的钛锌复合材料，所述钛锌复合材料具有由钛锌壳层包裹钛核形成的核壳结构；所述钛锌壳层中，钛、锌元素根据钛锌界面与钛核距离的增加，形成具有不同原子比的钛锌化合物，并在钛锌复合材料中构成梯度结构。
[0007]在本专利技术的第二方面，提供了一种工艺简单、生产便捷的钛锌复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)将钛粉、锌粉根据比例混合均匀，得到混合粉末；
[0009](2)所述混合粉末经放电等离子烧结处理，制成钛锌复合材料。
[0010]本专利技术中，均匀混合的纯钛纯锌粉末，在放电等离子烧结(SPS)高温高压的工艺条件下，发生了原子间的扩散和反应。由于锌原子向钛颗粒中扩散的速率远小于钛原子向锌中的扩散，最终，纯钛颗粒被逐渐消耗，在作为内核的纯钛颗粒周围，随着与钛锌界面距离的增加，形成了不同原子比的钛锌化合物的梯度结构，并以壳层形式包裹纯钛颗粒。
[0011]优选的，所述步骤(1)中，所述锌粉占所述混合粉末的质量百分比≤50％。
[0012]当粉末中锌的质量占比不同时，壳层也存在差异。当锌的质量分数小于10％时，壳层为共晶组织。当锌的质量分数大于等于10％并小于等于50％时，壳层的组成可包括如Ti9Zn、共晶组织Ti
4.8
Zn、Ti2Zn、TiZn、TiZn2等成分。
[0013]本方法工艺灵活，可灵活调控钛锌粉末组分，以满足不同的应用需求。
[0014]优选的，所述步骤(2)的具体操作如下：在真空条件下，所述混合粉末经放电等离子烧结处理形成块体材料，将块体材料自然冷却至室温，得到钛锌复合材料。
[0015]进一步优选的，所述放电等离子烧结处理分两阶段进行，第一阶段为反应阶段，第二阶段为烧结阶段；在反应阶段中，先对所述混合粉末施加压力，随后升温至反应温度并在该温度下保温一定时间；反应阶段完成后进入烧结阶段，先增加所述混合粉末受到的压力，随后进一步升温至烧结温度并在该温度下保温一定时间。
[0016]更进一步的，所述反应阶段中，施加的压力为10～20MPa；升温速率为50～100℃/min；反应温度为350～450℃；保温时间为10～20min。
[0017]更进一步的，所述烧结阶段中，施加的压力为50～60MPa；升温速率为50～100℃/min；烧结温度为700～800℃；保温时间为10～20min。
[0018]在本专利技术的第三方面，提供了一种本专利技术第一方面的钛锌复合材料或本专利技术第二方面的制备方法制备的钛锌复合材料作为原料在制备金属植入材料的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0020]本专利技术提供了一种钛锌复合材料，具有核壳结构和梯度结构，其致密性好，微观结构中无明显孔洞，力学性能优异。钛锌复合材料的硬度高于纯钛，远高于纯锌；材料的抗压强度高，可满足承载要求。此外，钛锌复合材料的弹性模量较低，与人骨接近，可克服植入后的应力屏蔽效应；该材料润湿性良好，能满足生物应用的细胞毒性要求。
[0021]本专利技术提供了一种钛锌复合材料的制备方法，该方法工艺简单、生产便捷，采用放电等离子烧结工艺，利用扩散原理，实现了在熔点相差巨大的钛锌材料间制备结构较为均匀的钛锌复合材料的技术目的。
[0022]本专利技术还提供了钛锌复合材料作为金属植入材料的应用，为结合钛的力学性能和锌的生物特性而达到医用目的提供了思路，具有良好的医用前景。
附图说明
[0023]图1中，(a)～(c)为实施例1的钛锌复合材料在不同放大倍率下的扫描电子显微镜(SEM)图像；(d)～(f)为实施例4的钛锌复合材料在不同放大倍率下的扫描电子显微镜
(SEM)图像；(g)～(i)为实施例8的钛锌复合材料在不同放大倍率下的扫描电子显微镜(SEM)图像；(j)～(l)为对比例3的钛锌复合材料在不同放大倍率下的扫描电子显微镜(SEM)图像；
[0024]图2为X射线能谱仪成分分析(EDS)的成分梯度图，(a)～(d)分别对应实施例1、实施例4、实施例8、对比例3的钛锌复合材料的成分梯度；
[0025]图3为实施例1～8和对比例3的钛锌复合材料的实测密度、相对密度测定结果图；
[0026]图4为实施例1～8和对比例3的钛锌复合材料的硬度测试结果图，其中，水平线TA1和pure Zn分别代表纯钛和纯锌的硬度值；
[0027]图5为实施例1～8和对比例3的钛锌复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛锌复合材料，其特征在于：所述钛锌复合材料具有由钛锌壳层包裹钛核形成的核壳结构；所述钛锌壳层中，钛、锌元素根据钛锌界面与钛核距离的增加，形成具有不同原子比的钛锌化合物，并在钛锌复合材料中构成梯度结构。2.一种如权利要求1所述的钛锌复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将钛粉、锌粉根据比例混合均匀，得到混合粉末；(2)所述混合粉末经放电等离子烧结处理，制成钛锌复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述锌粉占所述混合粉末的质量百分比≤50％。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体操作如下：在真空条件下，所述混合粉末经放电等离子烧结处理形成块体材料，将块体材料自然冷却至室温，得到钛锌复合材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述放电等离子烧结处理分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成林，马力，李越，程波，汪昌顺，蔡昂，秦翰钊，梅青松，薛龙建，张国栋，杨兵，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：