燒結(jié)溫度對泡沫鈮的力學(xué)性能及微觀組織的影2

1、燒結(jié)溫度對泡沫鈮的力學(xué)性能及微觀組織的影響節(jié)云峰，阮建明*，鄒儉鵬(中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)摘 要：采用新型泡沫浸漬法制備出具有較高強(qiáng)度和良好生物相容性的泡沫鈮。借助SEM、 XRD分析泡沫鈮的微觀結(jié)構(gòu)、形貌及相組成，同時(shí)對多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：制備的泡沫鈮具有與人體松質(zhì)骨相似的三維、連通孔隙結(jié)構(gòu)且無任何雜質(zhì)相。抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高先增加后降低；而彈性模量隨著燒結(jié)溫度的升高而增加。燒結(jié)溫度為1750時(shí)，抗壓強(qiáng)度為36.69MPa，彈性模量為0.815GPa，與人體松質(zhì)骨的力學(xué)性能相匹配。關(guān)鍵詞：泡沫鈮；三維連通；燒結(jié)溫度；力學(xué)性能

2、中圖分類號：TG 146.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A多孔泡沫金屬簡稱泡沫金屬，是一種結(jié)構(gòu)功能一體化的重要材料1。具有低密度、高孔隙度、閉孔或開孔的結(jié)構(gòu)特征，性能有吸能減震、消音降噪、透氣透水，以及加工性能好、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天、生物移植等各個(gè)領(lǐng)域2。金屬鈮由于具有良好的抗沖擊性、耐腐蝕性和生物相容性而廣泛應(yīng)用于人體骨組織的替代，然而由于其強(qiáng)度、彈性模量和密度等的不匹配，使得載荷不能由種植體很好地傳遞到相鄰骨組織，出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象，造成植入體周圍出現(xiàn)骨應(yīng)力吸收，最終導(dǎo)致植入體松動或斷裂3，從而限制了金屬鈮的應(yīng)用。泡沫鈮由于其孔隙的存在而大大降低了金屬的強(qiáng)度、彈性模量

3、以及密度，具有很高的均勻分布連通孔隙以及相適應(yīng)的力學(xué)性能4-5，是一種比較理想的生物運(yùn)用材料。本研究采用漿料泡沫浸漬方法制備出泡沫鈮，并探討燒結(jié)溫度對材料力學(xué)性能及微觀組織的影響。1實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)采用的鈮粉(型號為FXNb-1)由株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)，其主要化學(xué)成分如表1所示。圖1為金屬粉末顆粒SEM照片，粉末粒徑在100m以內(nèi)，顆粒分布不均勻。聚氨酯泡沫(型號為60PPI)由東莞展宇海綿廠生產(chǎn)，密度為25Kg/m3,孔隙直徑0.85mm，厚度10mm。聚乙烯醇(C2H4On)，平均相對分子量為127745，純度97.0%。表1 鈮粉的主要成分t%Table 1 Main compositions o

4、f Nb powders元素NbTaONCFe含量99.49650.05000.3600 0.0400 0.0440 0.0065將一定量的聚乙烯醇加入蒸餾水中加熱至其溶解，冷卻后，取一定量的溶液加入鈮粉中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚴怪蔀闈{狀。把泡沫放入其中進(jìn)行浸漬，浸漬完全后放入7080真空干燥箱中干燥2h4h，制得生坯。再將生坯置于真空燒結(jié)爐中在以下條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別是：1650、1700、1750、1800，保溫時(shí)間為2h?；痦?xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50604017，50774096)作者簡介：節(jié)云峰：(1984- )，男，碩士研究生通訊作者：阮建明，男，教授，博士生導(dǎo)師；電

5、話E-mail: jianming圖1 鈮粉的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM image of Nb powders用X射線衍射儀（XRD，RIGAKU-3014）、掃描電鏡(SEM ，JSM-6360LV)分析泡沫鈮的微觀結(jié)構(gòu)及表面形貌；用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CTM4000）測定泡沫鈮的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量。2結(jié)果及分析2.1物相分析不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)后樣品的XRD分析，結(jié)果如圖2所示。從圖中可知，樣品在2值為39.18°，55.66°，70.18°，82.48°處附近有四個(gè)尖銳的衍射峰，分別對應(yīng)于立方晶系鈮（PDF卡1

6、6-0001）的（110）、（200）、（211）、（220）晶面，且各個(gè)衍射峰的強(qiáng)度與立方晶系鈮的衍射圖譜相符，說明制備的泡沫鈮中沒有雜相。由于在制備過程中使用的聚氨酯泡沫骨架在燒結(jié)的過程中已經(jīng)分解燒出，沒有殘留，有利于保證泡沫鈮的生物相容性和生物安全性。圖2 泡沫鈮的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Nb foams2.2孔隙結(jié)構(gòu)及形貌圖3(a)為泡沫鈮，孔隙尺寸在400600m之間，整體相互連接的孔隙率達(dá)7080，材料表面凹凸不平，粗糙。圖3(b)為松質(zhì)骨的SEM照片，由圖知松質(zhì)骨是由大量針狀或片狀骨小梁相互連接而成的多孔網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 具有非均勻性和各向異性,兩者結(jié)構(gòu)相似

7、6。泡沫鈮具有與自體骨最接近的多孔狀結(jié)構(gòu)的意義7：一方面，為骨組織生長成骨過程提供幾何空間，即具有骨傳導(dǎo)作用；具有將各種成骨因子吸引趨化至材料部位，促進(jìn)成骨過程，即骨誘導(dǎo)作用。另一方面，金屬鈮的力學(xué)性能可以通過孔隙度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到與被替換組織相匹配的目的,能夠減弱或消除應(yīng)力屏蔽效應(yīng),避免植入體周圍的組織壞死而造成植入失敗。研究表明：成骨細(xì)胞較易于附著、沉積粗糙表面上8-9，因而泡沫鈮孔隙內(nèi)部粗糙的表面形貌可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的附著和細(xì)胞成骨功能的發(fā)揮。其原因可以解釋為以下兩點(diǎn)：首先，高低不平的粗糙表面在增大骨細(xì)胞附著表面積的同時(shí)，也增大了材料的表面能，有利于大分子物質(zhì)的吸附、細(xì)胞的附著；其次，多孔

8、海綿狀的粗糙面與細(xì)胞和大分子具有相似的彎曲率有利于細(xì)胞的緊密貼合，產(chǎn)生物理化學(xué)結(jié)合。a b圖3泡沫鈮及松質(zhì)骨的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of Nb foams and Cancellous bone(a) Nb foams；(b) Cancellous bone2.3力學(xué)性能力學(xué)性能是評價(jià)骨科生物材料的重要標(biāo)志，抗壓強(qiáng)度和彈性模量是評價(jià)材料力學(xué)性能的重要標(biāo)志10 ，理想的骨科生物材料既能有良好的引導(dǎo)成骨功能，又能承受一定的載荷。泡沫金屬的力學(xué)性能與致密金屬相比主要取決于孔隙度、孔隙形貌、孔徑及孔徑分布等11。圖4為不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)樣品經(jīng)過壓縮試驗(yàn)得到抗壓強(qiáng)度、楊氏彈性模量與燒

9、結(jié)溫度的關(guān)系。圖4材料力學(xué)性能與燒結(jié)溫度的關(guān)系Fig.4 mechanical properties of materials as a function of sintering temperature由圖可知，抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高先增加后降低，燒結(jié)溫度為1750時(shí)材料的抗壓強(qiáng)度最大(36.69MPa)，燒結(jié)溫度為1650時(shí)材料的抗壓強(qiáng)度最小(17.46MPa)；而彈性模量隨著燒結(jié)溫度的升高而增加，燒結(jié)溫度為1650時(shí)材料的彈性模量最小(96.3MPa)，燒結(jié)溫度為1800時(shí)彈性模量最大(1086MPa)。燒結(jié)溫度為1750時(shí)材料的力學(xué)性能與人體松質(zhì)骨的力學(xué)性能12（抗壓強(qiáng)度：30MP

10、a60MPa，楊氏模量：0.4GPa1.5GPa）相匹配。因此，燒結(jié)溫度為1750時(shí)得到泡沫鈮適合作為人體松質(zhì)骨的替代材料。圖5為不同燒結(jié)溫度下壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看到泡沫鈮的壓縮曲線符合多孔金屬材料壓縮曲線，多孔金屬材料軸向壓縮應(yīng)變曲線基本上分為3 個(gè)階段13-14：彈性變形階段，塑性平臺階段，破壞階段。不同燒結(jié)溫度時(shí)， 1650和1800兩個(gè)溫度點(diǎn)的曲線符合脆性材料的壓縮變形曲線；而1700和1750兩個(gè)溫度點(diǎn)的曲線符合塑性材料的壓縮變形曲線15。多孔材料的應(yīng)變量在燒結(jié)溫度為1700和1750時(shí)較大，其中1750時(shí)應(yīng)變量最大為11.9%，并且彈性變形后有一個(gè)較長的應(yīng)力平臺。這種

11、材料作為人體植入材料能夠?qū)ν鈦頉_擊力起到緩沖的作用，避免外來沖擊力對植入體帶來的破壞，保證植入的成功。圖5 不同燒結(jié)溫度樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Compressive stress-strain curve of the Nb foams with different sintering temperature2.4微觀形貌分析圖6為不同燒結(jié)溫度的樣品的SEM，由圖可知隨著燒結(jié)溫度的升高，顆粒與顆粒之間的燒結(jié)頸越來越明顯。 圖6(a)、(b)為樣品分別在1650、1700進(jìn)行的燒結(jié)，樣品在1650燒結(jié)時(shí)，此時(shí)鈮金屬顆粒呈棱角狀，由于溫度低粉末顆粒之間并沒有出現(xiàn)明顯的燒結(jié)頸，顆粒與顆粒僅

12、僅依靠機(jī)械力的堆積在一起材料表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性；樣品在1700燒結(jié)時(shí)，此時(shí)金屬顆粒表面出現(xiàn)圓滑化，顆粒與顆粒之間由于燒結(jié)頸的出現(xiàn)造成單個(gè)顆粒的形狀模糊，但是由于燒結(jié)溫度較低，燒結(jié)不夠充分所得到燒結(jié)頸較小。這些都使金屬顆粒之間界面的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鈮顆粒自身的斷裂強(qiáng)度，當(dāng)合金受到壓應(yīng)力時(shí)，裂紋由結(jié)合力較弱的界面出現(xiàn)并沿著晶粒界面發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出很低的力學(xué)性能。圖6(c)、(d)為樣品分別在1750、1800進(jìn)行的燒結(jié)，金屬鈮在這兩個(gè)溫度點(diǎn)，出現(xiàn)了明顯的固相燒結(jié)，粉末顆粒表面圓滑化并且顆粒之間出現(xiàn)明顯的燒結(jié)頸，單個(gè)顆粒的形狀消失粉末顆粒內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶。這些都使金屬顆粒之間界面的結(jié)合強(qiáng)度較高，當(dāng)合金受到壓

13、應(yīng)力時(shí)，裂紋首先出現(xiàn)在顆粒之間的燒結(jié)頸上，具有較高的力學(xué)性能，并有一定的塑性16。但是，溫度的升高晶粒也逐漸長大，1800時(shí)顆粒較大材料表現(xiàn)為脆性。因此，在1750時(shí)，晶粒較小且燒結(jié)完全，表現(xiàn)為綜合力學(xué)性能較好。ab c dDddd圖6不同燒結(jié)溫度樣品微觀組織的SEM照片F(xiàn)ig.6 The SEM image of microstructure of Nb foams at different sintering temperature(a)1650；(b)1700；(c) 1750；(d) 18003結(jié)論1）浸漬法制備出的泡沫鈮具有與人體松質(zhì)骨相似的三維、連通孔隙結(jié)構(gòu)，有利于骨組織的長入以實(shí)

14、現(xiàn)更好的生物固定和提高泡沫鈮的生物活性。2）燒結(jié)溫度對泡沫鈮的力學(xué)性能具有很大的影響，隨著燒結(jié)溫度的升高，抗壓強(qiáng)度先增加后降低，而彈性模量則一直增加。3）燒結(jié)溫度為1750時(shí)，抗壓強(qiáng)度為36.69MPa，彈性模量為0.815GPa，與人體松質(zhì)骨的力學(xué)性能相似，有利于解決植入體和人體骨之間由于力學(xué)性能的不匹配帶來的應(yīng)力屏蔽問題。參考文獻(xiàn) References1劉培生. 泡沫金屬在單雙向拉壓載荷作用下的表征分析J. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2008, 18(11): 2062-2067.LIU Pei-sheng. Analysis of porous open-cell metal foams un

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