【摘要】：Zr-2.5Nb合金因具有較好的力學(xué)性能、耐腐蝕性以及良好的生物相容性而被逐漸應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)植入材料。但是Zr-2.5Nb合金的表面硬度比較低,耐磨性差,制約了其在人工關(guān)節(jié)中的廣泛的應(yīng)用。氧化物陶瓷具有耐磨性好、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但易脆性斷裂使其難以單獨(dú)作為醫(yī)學(xué)植入體的優(yōu)選材料。鑒于此,本論文結(jié)合金屬和氧化物陶瓷的性能優(yōu)勢(shì),以Zr-2.5Nb合金為研究對(duì)象,利用高溫氧化方法在其表面原位形成陶瓷層,以獲得表面高耐磨、整體高強(qiáng)韌的醫(yī)學(xué)植入材料。本文對(duì)Zr-2.5Nb合金的熱氧化行為進(jìn)行研究,測(cè)試分析了Zr-2.5Nb合金經(jīng)熱氧化后的表面成分、表面形貌、力學(xué)性能、表面潤(rùn)濕性、生物摩擦學(xué)性能及生物相容性,綜合評(píng)價(jià)Zr-2.5Nb合金熱氧化后的表面性能。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)熱氧化處理后,Zr-2.5Nb合金表面生成了成分主要為硬度及耐磨性比較好的Zr O2氧化陶瓷層。隨著熱氧化溫度的增加,表面熱氧化層厚度增加幅度顯著,但是當(dāng)厚度增加到一定值時(shí),氧化層出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷;Zr-2.5Nb合金表面熱氧化層的接觸角逐漸減小,并且不同溫度處理下均接近70°,最為接近細(xì)胞粘附的最優(yōu)接觸角;Zr-2.5Nb合金的表面維氏硬度得到很大提高,在熱氧化溫度為650℃時(shí),硬度達(dá)到未經(jīng)熱氧化處理的Zr-2.5Nb合金的4.65倍。使用原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試試樣的納米硬度發(fā)現(xiàn),不同溫度的熱氧化處理均會(huì)使Zr-2.5Nb合金的納米硬度有著大幅度的增加,但同時(shí)塑性有所下降。而當(dāng)熱氧化溫度為650℃時(shí),合金的納米硬度達(dá)到最大,此時(shí)顯著改善表面硬度的同時(shí),又很好的保留了塑性。摩擦磨損試驗(yàn)表明,在三種不同潤(rùn)滑條件下,經(jīng)過(guò)不同熱氧化溫度氧化后的Zr-2.5Nb合金摩擦系數(shù)均低于未經(jīng)處理的合金。總的來(lái)說(shuō),干摩擦條件下,摩擦系數(shù)波動(dòng)比較大;生理鹽水潤(rùn)滑條件下,不同溫度氧化下試樣的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定后數(shù)值比較集中,在0.2~0.4之間波動(dòng);在25%小牛血清潤(rùn)滑條件下,合金摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定后數(shù)值相對(duì)干摩擦和生理鹽水潤(rùn)滑下有明顯下降,最后在0.2左右波動(dòng)。在三種不同條件下,經(jīng)過(guò)熱氧化處理的Zr-2.5Nb合金的磨損率較于未經(jīng)處理的試樣均有不同程度的降低。未經(jīng)熱氧化處理的Zr-2.5Nb合金磨損形貌在三種條件下均有犁溝的存在,并伴有塑性變形,因此其磨損機(jī)制為磨粒磨損;而經(jīng)過(guò)650℃熱氧化處理的Zr-2.5Nb合金在干摩擦條件下磨損形貌也存在著明顯的犁溝,且在磨痕兩端有明顯的磨屑堆積,因此磨損機(jī)制為磨粒磨損,在生理鹽水和牛血清潤(rùn)滑條件下,其磨損形貌表現(xiàn)為犁溝淺窄,磨損機(jī)制主要是疲勞磨損。隨著成骨細(xì)胞在材料表面培養(yǎng)天數(shù)的增加,細(xì)胞附著在材料表面的數(shù)量增加,說(shuō)明成骨細(xì)胞在氧化前后的Zr-2.5Nb合金表面均生長(zhǎng)良好;經(jīng)過(guò)不同溫度熱氧化處理后的Zr-2.5Nb合金表面成骨細(xì)胞數(shù)量大幅度增加,特別是經(jīng)過(guò)650℃熱氧化處理的材料,其表面的細(xì)胞數(shù)量甚至超過(guò)了空白對(duì)照組。由掃描電鏡觀察可得,成骨細(xì)胞的形態(tài)為梭形,并且細(xì)胞在熱氧化處理前后的Zr-2.5Nb合金表面均貼壁生長(zhǎng)良好,胞體均比較飽滿,且均有偽足的出現(xiàn);從共聚焦激光顯微鏡觀察所得,未經(jīng)氧化處理的Zr-2.5Nb合金表面存在很多的死細(xì)胞,而經(jīng)過(guò)氧化處理后的合金表面死細(xì)胞大大減少,甚至有的表面幾乎不存在死細(xì)胞,特別是當(dāng)氧化溫度為650℃時(shí),細(xì)胞在表面生長(zhǎng)的更加密集。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG146.414;R318.08

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2444768