羟基磷灰石陶瓷及其复合材料的烧结行为及力学性能研究

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羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)陶瓷具有良好的生物活性和生物相容性,控制其力学性能对其应用于生物医用领域具有至关重要的意义。本文研究了原始粉末物性和玻璃粉添加剂对HA陶瓷的烧结行为和力学性能的影响。分别以聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone, PVP)和十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethylammonim bromide, CTAB)为模板,制备了不同形貌的HA粉末。将不同HA粉末以及玻璃粉与HA的复合粉末在不同温度下烧结成陶瓷。采用XRD、TEM、FESEM、DSC/TGA等手段分别表征了粉末及烧成陶瓷的物相、形貌、微观结构和力学性能。得到以下主要结论:1.以PVP为模板制备的粉末为不规则纳米棒状,平均长度为100nm,平均直径为~20nm。而以CTAB为模板合成的粉末为亚微米级的菱柱状,其平均长度为~200nm,平均宽度为~100nm。由于模板剂与反应物的作用机理不同,使得制得的HA形貌不同。2.合成的两种HA粉末都具有高的热稳定性。HA陶瓷的力学性能受致密度的控制,相对密度高,则其维氏硬度和抗弯强度也高。此外,由于以CTAB为模板制备的HA原料的陶瓷的致密度更高,因此其力学性能优于以PVP为模板制备的HA陶瓷的力学性能。3.玻璃粉末作为添加剂会引起HA的剧烈分解。HA陶瓷的热稳定性不仅取决于玻璃粉末的成分,还取决于HA原始粉末的物性。具有高比表面积的HA粉末反应活性高,更容易与玻璃粉末发生作用,因此其致密度较低。含有MgO的玻璃粉末比含有ZnO的玻璃粉末更能稳定HA的分解产物p-磷酸钙(Whitlockite, β-TCP)相,同时,其对HA粉末的烧结促进作用更好。烧结陶瓷的力学性能受第二相含量和晶粒尺寸影响,第二相提高了材料的断裂韧性,晶粒长大则使力学性能下降。
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