新型铌酸锂钠钾生物压电陶瓷的制备与性能研究

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随着生物技术的发展和对健康水平的不断追求,人们对生物陶瓷材料性能的要求也不断提高。生物压电陶瓷材料在生物相容性、无毒性、化学稳定性、修复性、修复速率等方面展现出较大的优势,在骨修复或骨替代医学应用领域有着广阔的应用前景。新型铌酸锂钠钾(LNK)生物压电陶瓷为Li元素掺杂改性的铌酸钠钾基陶瓷材料,压电性能优异,压电效应会对生物体内细胞的生长产生促进作用,从而有效地进行生物体修复。羟基磷灰石(HA)材料为人体内骨骼的主要成分,具有优异的生物相容性。多孔材料则具有较大的比表面积,其孔隙结构便于人体内部的营养物质和细胞进入,加快修复速率。本论文将生物陶瓷设计成多孔型,复合型并具有压电性,充分发挥了LNK材料的压电效应、HA的生物相容性和多孔材料三者的优势,采用干压法、发泡法分别制备了新型LNK、LNK-HA及其多孔生物压电材料,探讨了制备工艺对材料压电性能和介电性能的影响。得到主要结论如下:(1)烧结温度对LNK陶瓷性能影响显著。提高烧结温度有利于LNK晶体的发育、生长和气孔的排除,从而改善LNK陶瓷体致密度,提高材料压电与介电性能。LNK压电陶瓷最佳烧结温度为1000℃,此时d33和Kp达到最大,分别为124.0p C/N和30.63%。(2)不同LNK、HA组分制备的LNK-HA复合陶瓷材料性能差异较大。随着HA含量不断增加,LNK-HA陶瓷材料内部气孔增多,致密度下降,介电和压电性能显著降低。此外,烧结时合适的烧结温度,有利于LNK-HA陶瓷内部气孔充分排除、致密度升高、晶粒发育完整,材料展现出良好的压电性能和介电性能。当LNK与HA质量比为9:1时复合,1050℃烧结的LNK-HA陶瓷综合性能优异,压电常数d33值为34.0p C/N,相对介电常数为648.12,介电损耗为0.0187。(3)以蛋清为发泡剂,发泡法制备多孔压电陶瓷的工艺中,发泡剂加入量和浆料固相含量对多孔压电陶瓷的性能影响显著。提高浆料固相含量,使得浆料黏度增加,不利于充分发泡,形成的孔洞孔径减小,气孔率降低,压电性与介电性均呈现上升趋势。当逐渐增加发泡剂加入量时,多孔陶瓷气孔率提高,密度下降,孔径尺寸降低且分散均匀,相对介电常数大大减小。当浆料中LNK固相含量为65%、发泡剂加入30%时,制备的多孔LNK陶瓷拥有最佳d33值为47.9p C/N,相对介电常数为67.29。当浆料中LNK-HA固相含量为65%,加入25%发泡剂制备的多孔LNK-HA陶瓷材料压电性能最佳。d33值为16.3 p C/N,相对介电常数为52.91。
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