二氧化硅/生物玻璃陶瓷的冷烧结制备及性能研究

摘要

随着材料科学技术的发展，国内的先进陶瓷体系不断壮大和拓展，制备技术方面不断丰富与进步，应用领域也从单一的军事、航空航天推广到环保、新能源、电子信息等更为广泛的民用市场，陶瓷材料也从结构陶瓷、功能陶瓷向结构与功能一体化发展。然而大多数陶瓷材料是通过生坯成型然后高温烧结而来的，此过程通常需要超过1000℃的温度，显而易见这是一个高度耗能的过程。针对这一问题，本实验从坚持绿色发展、坚持节约资源和保护环境的基本国策出发，通过冷烧结技术，设计并制备出满足性能需求的二氧化硅和生物玻璃陶瓷材料，相比于高温烧结，具有耗能更低、生产周期更短、污染更少的优良特性，是未来陶瓷烧结的最佳发展方向，且有一定的经济意义。　　本实验使用纳米与微米级(20nm与5μm)二氧化硅粉、微米级(≤26μm)生物玻璃粉为原料，以碱性KOH、NaOH溶液、水作为液相助烧剂，分别通过单轴冷烧结、冷等静压烧结以及无压力烧结制备了室温二氧化硅陶瓷和低温生物玻璃，探索出较优工艺参数。本文探究了所制备的二氧化硅/生物玻璃陶瓷组织结构、制备工艺与其性能之间的相互关系，讨论了冷烧结的机理及潜在的发展力。主要研究成果如下：　　(1)冷等静压烧结(CHS)作为一种新颖的低温环保烧结，可以使二氧化硅几乎完全致密化，该技术与生物硅化和地质学中硅质岩的形成有一定的联系。冷等静压烧结(CHS)与现有基于单轴压制的冷烧结技术不同，可以在室温下制出复杂三维形状的二氧化硅陶瓷体。本实验所得二氧化硅陶瓷是透明非晶的，在直线透射率(可见光范围内)超过70%，经过缓慢的干燥过程，维氏硬度高达1.4GPa，是高温1200℃烧结制备材料硬度的一半，并且是在室温下制备的所有材料中硬度最高的。冷等静压烧结(CHS)制备工艺受到原料颗粒大小，液相助烧剂浓度及类型，等静压力的时长等影响。冷等静压烧结方法简单且应用范围广泛，可应用于3D打印，模具成型和多元层状设备的制备，无需加热的步骤或低温条件下实现有机物与无机物之间等多种材料的整合集成，是目前制造各种功能器件所需要的烧结技术。　　(2)通过传统高温烧结、单轴冷烧结(包括室温无压烧结)、冷等静压烧结之间比较分析，对温度和压力两大热力学参数的比较，可知传统高温烧结实则是由扩散驱动的热激活过程，单轴冷烧结过程是颗粒在低于300℃的液体中溶解和塑性变形而促进原子扩散的过程，冷等静压烧结的致密化过程是室温等静压下颗粒溶解促进沉淀缩聚反应发生的过程。本实验中，使用碱性氢氧化钠、水作为液相助烧剂，使用冷等静压和室温无压烧结均可以得到疏散多孔的生物玻璃，样品的SEM扫描图显示出与骨头内部结构的相似性，用于骨骼修复时，颗粒间的颈部结构利于骨组织或骨头生长，还可用作于骨组织工程支架，水的加入成功避开了碱性溶液作为液相助烧剂的腐蚀损伤性，加之制备温度也是目前最低的，进一步避免高温对生物活性的破坏，提高了生物材料的医学应用性能。从FTIR红外分析可知，冷烧结中的非晶结构的O-P-O则会促进物质植入骨头中，无排斥，炎症和组织坏死，会形成HA，具有很强的骨结合强度，良好的界面结合能力和成骨能力。最后，冷等静压烧结和室温无压制备的生物玻璃，随着水的体积比的增加，致密度都会逐渐降低，随着烧结温度的降低，样品致密度也会降低。运用冷烧结工艺所烧结出的生物玻璃样品硬度均大于0.6GPa，且在水中不会发生溶解，打破了之前生物玻璃的低硬度性能的缺陷，可用于身体其有压力部位的区域。

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 冷烧结技术简介

1.2.1 冷烧结技术的流程概述

1.2.2 冷烧结技术的机理

1.2.3 冷烧结的特点

1.2.4 陶瓷冷烧结技术的应用

1.3 冷烧结陶瓷技术的研究进展

1.3.1 历史发展角度

1.3.2 最新的研究成果

1.3.3 未来的发展趋向

1.4 二氧化硅陶瓷的简介及应用

1.5 生物玻璃的简介及应用

1.6 本文研究意义、主要内容以及创新点

第二章 实验材料与方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 材料成分设计

2.4 材料制备工艺

2.4.1 二氧化硅样品的制备

2.4.2 生物玻璃样品的制备

2.5 材料表征分析及性能测试

2.5.1 现代材料表征分析

2.5.2 物理性能测试

第三章 二氧化硅陶瓷的冷烧结制备及性能研究

3.1 冷烧结/冷等静压烧结的二氧化硅陶瓷的物相组成与微观结构分

3.1.1 二氧化硅原料粉末物相组成与冷烧结后的物相组成

3.1.2 冷烧结后二氧化硅的微观结构

3.1.3 二氧化硅不同烧结条件下的硬度压痕微观分析

3.2 二氧化硅冷烧结后的不同形状的高清实物图

3.3 二氧化硅冷烧结陶瓷的物理性能

3.3.1 密度和硬度

3.3.2 透光度

3.4 干燥过程中样品的体积变化及机理分析

3.4.1.1 其他参数一致，冷等静压烧结时间不同时样品的体积变化

3.4.1.2 体积变化中的冷等静压烧结机制所在

3.5 冷等静压烧结潜在的优点

3.6 本章小结

第四章 生物玻璃的冷烧结制备及性能研究

4.1 生物玻璃单轴冷烧结（UCS）后的物相组成与微观结构分析

4.1.1 生物玻璃原料粉末与烧结后的物相组成

4.1.2 生物玻璃在不同工艺烧结后的微观结构

4.2 生物玻璃单轴冷烧结（UCS）后的物理性能

4.2.1 密度及致密度

4.2.2 硬度

4.3 生物玻璃与水冷等静压/无压烧结的物相组成与微观结构分析

4.3.1 生物玻璃与水冷烧结工艺下（CHS、NP）的物相组成

4.3.2 生物玻璃原料及不同烧结工艺样品的FTIR红外分析

4.3.3 生物玻璃与水冷烧结工艺下（CHS、NP）的微观形貌

4.4 生物玻璃与水冷等静压/无压烧结后的物理性能

4.4.1 密度及致密度

4.4.2 硬度

4.5 溶解性测试

4.6 传统高温烧结、单轴冷烧结、冷等静压烧结的对比

4.7 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果