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羟基磷灰石(HA)是人体骨骼的主要组成物质。羟基磷灰石陶瓷具有良好的生物活性和生物相容性,植入人体后无不良反应,能与人体骨骼相结合并诱导新骨生长和形成,因此被广泛应用于人体硬组织的修复和替换,是一种理想的硬组织替代材料。但是,与人体骨骼相比,纯羟基磷灰石陶瓷的断裂人性较低,这严重地限制了材料的植入效果。金属生物材料具有良好的力学性能,是使用最早的植入型硬组织替代材料。金属生物材料的缺点是生物活性不够理想。因此,羟基磷灰石和金属材料单独作为生物材料使用均有不足之处,而羟基磷灰石和金属的复合材料有望同时获得较好的生物性能和力学性能。
本实验以Ca(OH)2和H3PO4为反应物,通过溶胶-凝胶法制备了HA粉体;用机械法制备了HA/TiH2和HA/304L包覆粉体;用热压技术制备了纯HA陶瓷材料及HA/钛、HA/304L不锈钢复合材料。检测了具有网状结构的HA/金属复合材料及纯HA陶瓷材料的主要力学性能,并分析了HA/金属网状复合材料的强韧化机理。
XRD物相分析结果表明,溶胶-凝胶法制备的粉体经过900℃高温下煅烧2小时后,粉体的主晶相为HA。用光遮法检测了900℃煅烧后的HA粉体的粒度分布,结果表明,HA粉体的D50为3.65μm。
1050℃热压HA/TiH2复合材料的XRD检测结构表明,HA和Ti是材料的主要相,同时出现了Ca2P2O7和Ca3(PO4)2两个新相,说明在热压烧结过程中TiH2分解为金属Ti,并且部分HA发生了脱水和分解反应。
1050℃下热压烧结制备的HA陶瓷及其复合材料的性能好于1000℃和950℃下制备的材料。金属含量为25vol.%的复合材料的综合力学性能最好。
与纯HA陶瓷相比,HA/金属复合材料的强度和韧性有很大提高。1050℃热压烧结的HA/25vol.%Ti复合材料的断裂韧性为2.37MPa·m1/2,抗弯强度为54.31MPa,HA/25vol.%304L复合材料的断裂韧性为2.92MPa·m1/2,均好于纯HA材料(断裂韧性为0.98MPa·m1/2,抗弯强度为36.23MPa)。
HA/金属复合材料具有网状结构的显微组织。网状分布的金属相能够对裂纹起到很好的桥接作用,吸收断裂能。