镍钛合金表面激光熔覆生物活性涂层

摘要

为改善NiTi合金的生物活性、限制镍离子析出对人体造成的危害，本文采用预置涂层法激光熔覆技术在NiTi合金基体表面制备羟基磷灰石生物复合陶瓷涂层，利用XRD、SEM及EDX等手段研究了激光熔覆过程工艺参数对涂层组织演化规律的影响，并对其生物活性进行了评价。主要得到以下研究结果:
　　 激光熔覆制备的HA/Ti复合涂层可与基体形成牢固的冶金结合，涂层中的主要物相除了HA外，还包括CaO，CaTiO3以及钛磷化合物等物相，Ni元素被远远阻隔在合金化区域内，且涂层具有很好的生物活性。但过高的激光功率会造成HA的分解和烧损。
　　 采用非均匀成核可制备TiO2包覆HA的复合粉末，但需严格控制反应溶液的pH值以及成核基体HA的添加量。当pH值为8，成核基体HA和TiO2含量为1:2时，获得的复合粉末质量最佳。
　　 小功率的光纤激光器可用来制备HA/TiO2复合涂层，涂层主要由HA，Ca2P2O7，CaTiO3，TiO和Ca3(PO4)2等相组成。与大功率激光器(Nd∶YAG)作用下制得的复合涂层相比，光纤激光器良好的光束质量和稳定的功率输出使得涂层成形良好，合金化区域小，更适合用于制备具有低熔点物质的复合涂层。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题意义

1．2 医用生物材料的性质以及应用现状

1．2．1 医用金属材料

1．2．2 医用陶瓷材料

1．2．3 医用高分子材料

1．2．4 医用复合材料

1．3 生物陶瓷涂层的主要制备技术

1．3．1 等离子喷涂法

1．3．2 脉冲激光沉积技术

1．3．3 溶胶-凝胶法

1．3．4 仿生溶液沉积法

1．3．5 激光熔覆法

1．4 激光熔覆法制备镍钛合金HA涂层的影响因素

1．4．1 光斑尺寸

1．4．2 激光功率

1．4．3 扫描速度

1．5 研究目标及主要内容

2 实验材料及研究方法

2．1 实验材料

2．2 实验方案

2．2．1 实验流程

2．2．2 镍钛合金表面激光熔覆HA/Ti混合粉末实验

2．2．3 TiO2包覆HA粉末的制备

2．2．4 镍钛合金表面激光熔覆HA/TiO2复合涂层实验

2．3 测试及研究方法

2．3．1 金相分析(OM)

2．3．2 物相分析(XRD)

2．3．3 扫描电镜观察(SEM)、能谱分析(EDX)以及线扫描分析

2．3．4 透射电镜观察

2．3．5 显微硬度测试

2．3．6 接触角分析

2．3．7 生物相容性测试

3 NiTi合金表面激光熔覆HA/Ti复合涂层

3．1 HA/Ti复合涂层的物相分析

3．2 HA/Ti复合涂层组织结构

3．3 激光工艺参数对熔覆层组织形貌的影响

3．3．1 扫描速度对熔覆层组织形貌的影响

3．3．2 扫描速度对熔覆层不同区域的硬度影响

3．3．3 激光功率对熔覆层组织形貌的影响

3．3．4 激光功率对熔覆层不同区域的硬度影响

3．4 搭接行为对熔覆层组织结构的影响

3．5 预置层中不同HA含量对熔覆层组织结构的影响

3．6 HA/Ti复合涂层的内部结合强度

3．7 涂层的生物活性

3．7．1 浸泡后涂层的组成物相

3．7．2 浸泡后涂层的表面形貌及其能谱分析

3．7．3 诱导类骨磷灰石的生成机制

3．8 本章小结

4 TiO2包覆HA复合粉末的制备

4．1 影响TiO2包覆HA的理论分析

4．2 影响TiO2包覆HA的形成条件

4．2．1 温度

4．2．2 pH值

4．2．3 成核基体和覆层粒子的浓度比

4．2．4 成核基体的分散性

4．2．4 热处理温度

4．3 HA/TiO2复合粒子的微观形貌

4．4 HA/TiO2包覆型复合粉末的形成机制

4．4 不同成核基体含量对包覆的影响

4．5 本章小结

5 NiTi合金表面激光熔覆HA/TiO2复合涂层

5．1 HA/TiO2生物复合涂层的宏观形貌

5．2 HA/TiO2生物复合涂层的截面形貌

5．3 HA/TiO2生物复合涂层的显微组织

5．3．1 HA/TiO2生物复合涂层的显微形貌

5．3．2 HA/TiO2生物复合涂层的相组成

5．3．3 HA/TiO2生物复合涂层的表面形貌

5．3．4 HA/TiO2生物复合涂层的截面元素分布

5．4 HA/TiO2生物复合涂层的润湿角

5．5 生物活性评价

5．7 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录