稻壳制备多孔钛表面涂层及其摩擦磨损性能研究

摘要

近年来，在医学领域，骨植入材料研究与应用受到了研究者的广泛关注，而多孔钛具有独特的孔隙结构和优异的生物相容性成为骨植入材料的最佳替代材料。然而，研究者主要关注多孔钛的制备工艺和提高力学性能等方面，虽然取得了一定有价值的成果，但多孔钛作为植入材料在摩擦磨损方面的研究相对较少，因此研究多孔钛的制备工艺和摩擦磨损方面的工作显得尤为必要。本文以稻壳作为造孔剂和钛粉为基体材料制备出了多孔钛材料，并研究了多孔钛表面改性、生物活性涂层制备和摩擦磨损性能，研究结果如下： 稻壳热解的热力学与动力学特性。依据骨植入材料对孔径的要求，对稻壳进行了粒径控制和表面除杂处理，利用热力学和动力学研究了稻壳热解特性，并分析了稻壳热解过程中的碳损失。结果表明：升温速率10℃/min为稻壳热解最佳工艺参数，并计算了稻壳热解温度在300-450℃时的活化能为12.22 kJ·mol-1和碳损失量为65.3%。 工艺参数对稻壳制备多孔钛性能的影响。研究了制备工艺参数（压制压力、烧结温度、造孔剂粒径和含量）对多孔钛性能的影响。结果表明：当采用压制压力400MPa、烧结温度1300℃、稻壳粒径180-250μm和稻壳含量20wt.%时制备的多孔钛材料孔隙率、压缩强度和弹性模量分别为52.8%、58.94MPa和7.26GPa。多孔钛材料具有类取向孔隙结构，并且孔内壁具有长瘤状钛纤维，多孔钛的压缩断裂方式表现为脆性断裂。 表面改性工艺对多孔钛表面涂层的影响。在多孔钛的表面改性中，选择酸碱处理和碱热处理两种表面改性处理工艺。酸碱处理后的多孔钛表面具有团聚状钛酸钠沉积物，沉积高度约为10μm，钛酸钠针状纤维长度约为4μm，粗糙度为275.27μm，提高了多孔钛生物相容性。多孔钛随着碱溶液浸泡时间的增加并进行热处理后，多孔钛表面由毛绒状沉积层转变为凝胶状沉积层，最后演变为枝状连接体状沉积层，这些沉积层有利于多孔钛基体和活化层表面结合强度的提高。 多孔钛生物活性与活化涂层。多孔钛在模拟体液中浸泡7天后，多孔钛表面的粗糙度约为259.8μm，表面有针状钛酸钠纤维和棒状的羟基磷灰石活化沉积层生成。活化沉积层均匀致密，表面粗糙有利于活化沉积层与基体结合强度提高和择优生长，使Ca-P层与基体之间除了引起化学键结合外，也起到机械锁合的作用。多孔钛浸泡在牛血清蛋白添加的模拟体液中7天后，表面粗糙度出现了减小，表面沉积层中针状钛酸钠纤维增加，牛血清蛋白的添加使多孔钛表面具有了更好的形核能力，为钙磷盐的沉积提供了大量的形核位点，使其仿生涂层表面更加致密均匀细小，提高了多孔钛的生物相容性，有利于蛋白质的吸附，从而能够携载骨诱导因子，增加了骨传导和骨诱导的特性，同时分析了仿生涂层的形成机理。 多孔钛摩擦磨损机制探讨。分别以稻壳制备的多孔钛、商业多孔钛和纯钛作为研究对象，研究了这三种钛材料在干摩擦和牛血清润滑摩擦条件下摩擦系数和磨损率，并对磨损后的微观形貌和界面元素分布进行了对比分析，确定了磨损机制。稻壳制备的多孔钛在干摩擦和牛血清摩擦下的摩擦系数分别为1.05和0.5，磨损率分别为9.94×10-4mm3/m和0.76×10-4mm3/m。干摩擦过程中的磨损机制为氧化磨损和磨粒磨损，牛血清条件下的磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损。

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