一种无Ni型Zr基块体非晶合金的生物相容性、断裂韧性与疲劳行为研究

摘要

采用真空电弧熔炼、真空吸铸的方法成功制备了具有不同几何尺寸的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金，全面研究了其综合力学性能，包括强度、模量，以及其在模拟体液（SBF）中的电化学腐蚀性能、静态浸泡腐蚀形貌、腐蚀速率及腐蚀析出离子量，块体非晶合金对骨肉瘤细胞（MG63）的繁殖率的影响及骨肉瘤细胞在块体非晶合金样品表面的生长形貌。结果显示此块体非晶合金具有优异的力学性能，包括：拉伸强度1720±28MPa，比强度（强度/密度）265MPa·cm3/g，弹性模量82±1.9GPa。通过与传统的生物金属材料的对比分析，发现所研发的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金具有更优异的力学性能，包括更高的拉伸强度和比强度，更低的弹性模量。通过将此块体非晶合金的电化学腐蚀性能与商用植入材料（Tl6Al4V，纯Zr）进行对比，发现Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金具有更低的腐蚀速率。30天浸泡腐蚀后金属离子溶出浓度测试结果显示，所有溶出离子浓度均明显低于人体的安全值。细胞繁殖率测试结果显示，此块体非晶合金具有0-1级毒性等级，满足作为植入材料的细胞毒性要求。同时，细胞形貌试验结果显示大量的骨肉瘤细胞在块体非晶合金样品表面能够附着并铺展开，显示了良好的亲和性，进一步肯定了所研发的块体非晶合金所具有的良好生物相容性。
　　以上结果显示，Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3是一种综合性能优良的潜在生物材料。为了进一步研究针Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金作为人体髋关节和膝关节等承受动态载荷部位替代材料的可行性，依据美国材料与试验协会（ASTM）的标准，采用单边缺口弯曲（SE(B)）试样对此块体非晶合金的断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能进行了深入研究。同时，用四点弯曲的方法对此块体非晶合金的疲劳强度进行了研究。获得了以下有主要结果：1）获得了此块体非晶合金所具有的高断裂韧性值（116.7MPa√m）。此块体非晶合金具有高韧性的原因是：材料的低剪切模量/体弹性模量（0.29）比使其具有高的塑性变形形成剪切带的能力。通过原位观测裂纹尖端的剪切带演化，结合SEM观察获得的失效样品侧面与断面形貌，确定了此非晶合金高韧性所对应的裂纹扩展阻滞特征，包括形成大量的剪切带，部分剪切带演化成为微裂纹以及发生明显的裂纹路径偏斜；2）获得了此块体非晶合金的疲劳裂纹扩展曲线（da/dN~ΔK曲线），确定了该非晶合金的疲劳裂纹扩展的门槛值（ΔKth）为3.71MPa√m，其裂纹稳态扩展区的Paris参数C=2.70E-12,m=3.52，均类似于常规韧性晶态材料的数值。通过对样品断面疲劳条纹形貌的仔细观察，发现了块体非晶合金疲劳断面与延性晶态材料疲劳断面的两点不同：（Ⅰ）块体非晶合金中不存在晶态材料在裂纹扩展门槛区所具有的裂纹扩展受晶粒尺寸或第二相颗粒大小与分布影响的微结构效应，断面仍表现为疲劳条纹形貌；（Ⅱ）块体非晶合金中的疲劳条纹间距在低应力强度因子下与裂纹扩展速率失配，表现为多周形成一个疲劳条纹，在高应力强度因子下与裂纹扩展速率匹配，变现为每周形成一个疲劳条纹。针对块体非晶合金的疲劳条纹特征，基于线弹性断裂力学分析，提出了一个“滑移对”模型，较好地解释了在疲劳载荷作用下裂纹尖端塑性变形区中发生的周期性滑移进行裂纹扩展，同时形成疲劳条纹的过程。3）获得了此块体非晶合金的室温四点弯曲疲劳寿命曲线（S-N曲线），结果显示其疲劳强度为425MPa，高于人体骨骼的载荷，和Ti6Al4V处在同一水平。基于裂纹扩展曲线拟合出的Paris参数，计算了含有铸造缺陷样品裂纹扩展阶段所对应的载荷周期。结果显示当铸造缺陷几何尺寸大于10μm时，样品的疲劳寿命主要由裂纹扩展阶段组成。

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1.1 生物材料

1.2块体非晶合金

1.3 块体非晶合金作为生物材料的研究

1.4 块体非晶合金的断裂韧性

1.5 块体非晶合金的疲劳行为

1.6 本文研究内容

2 Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金的力学性能

2.1 引言

2.2 实验过程

2.3 实验结果

2.4 讨论

2.5 本章小结

3 Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金的生物腐蚀性能

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 实验结果

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金的细胞毒性

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3结果与讨论

4.4 本章小结

5 Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金的断裂韧性

5.1 引言

5.2 实验过程

5.2 实验结果

5.4 讨论

5.5 本章小结

6 Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金的疲劳裂纹扩展

6.1 引言

6.2 实验过程

6.3 实验结果

6.4 讨论

6.5 本章小结

7 Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3块体非晶合金的疲劳强度

7.1 引言

7.2 实验过程

7.3 实验结果

7.4讨论

7.5 本章小结

8 全文总结

8.1 主要实验结果

8.2 本论文的创新之处

8.3 研究展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读博士学位期间发表的论文