發(fā)布時間：2019-02-22 19:57

【摘要】：本課題源于導(dǎo)師的陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目“碳纖維/原位生長納米HA協(xié)同強韌HA復(fù)合材料的研究(2014JM6233)”和陜西科技大學(xué)學(xué)術(shù)骨干培育計劃項目(XSGP201208),是國家自然科學(xué)基金面上項目(51072107)的延續(xù)工作,具體敘述如下:羥基磷灰石(HA)是人體硬組織的主要無機成分,具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性,是一種具有極大應(yīng)用前景的骨移植修復(fù)材料。但HA生物陶瓷脆性大、強度低限制了其作為承重骨在人體中的廣泛應(yīng)用。碳纖維(CF)具有低密度、高強度及良好的生物性能,是改善HA綜合力學(xué)性能的理想增強材料之一。然而,由于碳纖維和HA的熱膨脹系數(shù)(CF:1.0×10-6/K,HA:11.6×10-6/K)存在較大差異以及HA高溫脫羥分解過程中產(chǎn)生的O2-、H2O對碳纖維具有嚴重的氧化損壞作用,使碳纖維對HA的強韌效果遠未達到理論預(yù)測水平。本文針對以上問題,為實現(xiàn)碳纖維增強增韌HA人工骨復(fù)合材料,從燒結(jié)保護、生物活性、碳纖維與HA基體之間界面結(jié)合性能等方面出發(fā),在碳纖維表面分別構(gòu)筑了納米HA(nHA)生物活性涂層、SiC燒結(jié)保護涂層和TiAl/nHA復(fù)合涂層等多功能涂層,采用不同燒結(jié)工藝制備了碳纖維/多功能涂層/HA復(fù)合材料。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:采用混合酸/雙氧水溶液(NHSH)對碳纖維進行了改性處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性處理后的碳纖維(NHSH-CF)表面粗糙度增加,比表面積增大,并接枝了大量的羥基(-OH)、羧基(-COOH)等活性含氧官能團。與未改性處理的碳纖維相比,-OH和-COOH數(shù)量分別提高了近8倍和12倍。通過電化學(xué)沉積法在NHSH-CF表面制備了形貌、結(jié)構(gòu)及成分可控的n HA涂層。結(jié)果表明:在電流密度為5.0mA/cm2時,隨著沉積時間由60min延長至180min,nHA涂層由納米針狀結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)榱�角棒狀結(jié)構(gòu)。利用低壓化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面沉積了一定厚度、形貌與結(jié)構(gòu)的SiC涂層。研究了不同工藝條件下碳纖維表面SiC涂層的形成機理及其對碳纖維力學(xué)性能和燒結(jié)保護性能的影響。發(fā)現(xiàn)當沉積時間為180min時,SiC涂層致密均勻且連續(xù)地包覆于碳纖維表面,厚度達到1.0μm且抗氧化性能良好。通過多弧離子鍍法復(fù)合電化學(xué)沉積法在NHSH-CF表面制備了Ti Al/nHA復(fù)合涂層。研究了碳纖維表面狀態(tài)和不同工藝參數(shù)對復(fù)合涂層形貌、成分及結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。當多弧離子鍍沉積60min后,NHSH-CF表面能夠獲得理想的TiAl涂層,涂層厚度約0.2μm;當電化學(xué)沉積時間為180min時,具有TiAl涂層的碳纖維(TiAl-CF)表面能夠沉積得到厚度為0.5μm且緊密包覆于TiAl-CF表面的nHA涂層。最后,本文采用熱壓燒結(jié)和常壓燒結(jié)工藝分別制備了具有良好生物力學(xué)相容性的CF/nHA/HA、CF/SiC/HA和CF/TiAl-nHA/HA三種復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維含量、碳纖維表面狀態(tài)、燒結(jié)工藝以及界面結(jié)合特性對復(fù)合材料的力學(xué)性能和強韌機理具有較大的影響。當nHA-CF、Si C-CF和Ti Al/nHA-CF被用于增強HA復(fù)合材料時,由于碳纖維表面與HA匹配或過渡熱膨脹系數(shù)涂層的存在,復(fù)合材料在冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力將顯著降低。涂層碳纖維可以作為“橋梁”有效控制界面間隙的形成,改善碳纖維和HA之間的界面結(jié)合性能。本文所制備的CF/nHA/HA和CF/SiC/HA復(fù)合材料的彎曲強度、斷裂韌性較HA生物陶瓷均有明顯的提高。CF/SiC/HA和CF/TiAl-nHA/HA復(fù)合材料中的碳纖維獲得了良好的燒結(jié)保護,界面結(jié)合性能得到明顯改善。本研究有望為具有良好生物力學(xué)相容性的CF/HA復(fù)合材料的制備和臨床應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB306;TB33

【參考文獻】

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本文編號：2428564