鈦合金表面微孔陶瓷化及其生物摩擦學行為研究

《鈦合金表面微孔陶瓷化及其生物摩擦學行為研究》是依託中國礦業大學，由羅勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈦合金表面微孔陶瓷化及其生物摩擦學行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：羅勇
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

鈦合金是一種非常有前途的生物醫學材料，具有優異的耐蝕性、良好的生物相容性、較高的機械強度和較好的加工性能，唯一的不足是摩擦磨損性能太差。本項目採用表面滲碳工藝對鈦合金進行表面改性，擬在鈦合金表面製備碳化鈦微孔陶瓷，並研究其生物摩擦學性能。本項目將從熱力學和動力學的角度研究鈦合金的滲碳機理並建立滲碳擴散模型，最佳化鈦合金滲碳工藝參數，並建立微孔尺寸和滲碳工藝參數的關係，最終在鈦合金表面製備出碳化鈦微孔陶瓷。同時，本項目將通過研究在牛血清、生理鹽水、人血漿潤滑條件下微孔尺寸對摩擦係數、磨屑尺寸及分布、潤滑等的影響，結合髖關節模擬試驗結果研究微孔陶瓷的生物摩擦學行為，最終建立微孔的潤滑模型。

結題摘要

本項目採用分級滲碳技術對Ti6Al4V合金進行表面高溫滲碳，製備鈦合金微孔陶瓷，並成功製備出了鈦合金微孔陶瓷人工髖關節球頭。通過材料熱力學和動力學分析研究微孔陶瓷的製備工藝，充分理解鈦合金滲碳的分級擴散機理，提出了鈦合金微孔陶瓷生長模型。本項目通過對鈦合金微孔陶瓷的表面成分、結構、表面形貌、硬度、斷裂韌性、摩擦係數、磨損率、磨粒等進行了測試研究，評價鈦合金微孔陶瓷表面的微觀結構、表面力學性能、微動摩擦學性能和生物摩擦學性能，並採用有限元軟體對微孔陶瓷的力學性能進行了模擬。研究結果表明，採用分級滲碳技術可以在醫用鈦合金進行表面滲碳製備微孔陶瓷，微孔陶瓷層厚度達到250 μm，主要包括微孔碳化鈦陶瓷層和擴散層。通過對微孔陶瓷表面進行X衍射和XPS成分分析發現，在鈦合金表面生成了純淨緻密的面心立方結構的碳化鈦陶瓷，微孔陶瓷中並沒有氫化物的存在，不存在氫脆問題。而XPS能譜分析都表明在鈦合金微孔陶瓷中碳原子呈濃度梯度分布，而表面形貌分析則進一步證實，微孔陶瓷表面的碳化鈦在滲碳過程中取向的無序度增加，部分碳化鈦會堆垛在一起，形成了較為複雜的微孔結構。微孔陶瓷表面的TiC陶瓷和其複雜的微孔結構極大地提高了鈦合金的表面硬度，微孔陶瓷表面維氏硬度高達778 HV，是鈦合金的2.3倍。同時，微孔陶瓷保留金屬良好的塑性，遠高於一般陶瓷的斷裂韌性，充分說明微孔陶瓷兼顧了金屬和陶瓷的性能。人工髖關節磨損模擬試驗表明，微孔陶瓷顯著提高了關節球頭的耐磨性並且降低了UHMWPE關節臼的磨損，同時微孔陶瓷有效地控制了UHMWPE磨屑的分布，提高了UHMWPE磨屑的尺寸，這可降低由磨屑引起的細胞毒性反應。