鈦及鈦合金有強(qiáng)度強(qiáng)、質(zhì)量輕、無(wú)毒無(wú)磁性、抗腐蝕性能優(yōu)良及良好的生物相容性等優(yōu)秀特點(diǎn),成為最合適在醫(yī)療中使用的金屬材料,鈦和鈦合金廣泛應(yīng)用于人體種植體、牙科、醫(yī)療器械和人體矯形外科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,但隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)醫(yī)用鈦合金的要求也在不斷的更高。Ti13Nb13Zr是新興的第3代醫(yī)用鈦合金,由生命族元素構(gòu)成,不含有Al等對(duì)人體有害的元素,而且具有更低彈性模量、更好生物相容性和更高強(qiáng)度,取代第2代合金已成為不可避免的趨勢(shì)。所以進(jìn)一步掌握鈦合金的力學(xué)性能具有非常高的價(jià)值。為研究第3代醫(yī)用鈦合金Ti13Nb13Zr的力學(xué)性能,本文進(jìn)行以下的工作:(1)采用納米壓痕,對(duì)Ti13Nb13Zr進(jìn)行了微納米力學(xué)測(cè)試,分析了材料在微納米尺度下的力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到材料在微納米尺度下接觸剛度,彈性模量,硬度等性能,為Ti13Nb13Zr在人體中服役提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(2)為了確定Ti13Nb13Zr在植入人體發(fā)生的蠕變行為,所以在室溫下利用納米壓痕儀測(cè)量了Ti13Nb13Zr的蠕變行為的規(guī)律。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)的加載速率與最大載荷,確定這兩個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與加載速率和最大載荷無(wú)關(guān),只與材料本身性質(zhì)相關(guān)。最終測(cè)得材料的蠕變應(yīng)力指數(shù)范圍在28.98~34.66之間,為Ti13Nb13Zr在植入人體發(fā)生的蠕變行為提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考。(3)Ti13Nb13Zr合金在人體服役后,材料不可避免會(huì)受到低速?zèng)_擊。為了掌握材料在低速?zèng)_擊下的力學(xué)性能,進(jìn)行落錘實(shí)驗(yàn)測(cè)量Ti13Nb13Zr在低速?zèng)_擊條件下的能量吸收與損傷情況。通過(guò)使用不同形狀的沖頭與改變沖擊能量,確定這兩個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明,沖頭的幾何形狀對(duì)于沖頭位移和損傷情況有很大的影響,圓柱形沖頭的峰值載荷最大,圓錐形沖頭的沖頭位移最大,損傷面積最小也更為集中。當(dāng)沖頭為圓柱形沖頭沖擊能量為30J時(shí),材料未被破壞,測(cè)得73%的能量被材料吸收。本文通過(guò)研究第三代醫(yī)用鈦合金Ti13Nb13Zr合金在微納米尺度下的力學(xué)性能,蠕變性能以及低速?zèng)_擊下的力學(xué)性能,與目前臨床中使用最廣泛的醫(yī)用鈦合金Ti6A14V進(jìn)行性能對(duì)比,Ti13Nb13Zr的蠕變應(yīng)力指數(shù)為Ti6A14V的4倍左右,能量吸收率基本相同。Ti13Nb13Zr在這兩方面的力學(xué)性能更為優(yōu)秀,說(shuō)明Ti13Nb13Zr的前景非常優(yōu)秀。同時(shí)為本文的研究對(duì)象第三代醫(yī)用鈦合金Ti13Nb13Zr合金的設(shè)計(jì)、材料自身的發(fā)展可提供重要的實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù),為避免意外發(fā)生提供保障,還能拓展材料的應(yīng)用前景,同時(shí)為其他醫(yī)用鈦合金研制和開發(fā)提供了新的方法和思路。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TG146.23;R318.08
【部分圖文】：

會(huì)破壞附近骨質(zhì)，使骨質(zhì)溶解，導(dǎo)致局部組織發(fā)生刺激反應(yīng)甚至壞會(huì)導(dǎo)致過(guò)敏反應(yīng)和呼吸系統(tǒng)的功能障礙，而且由于其會(huì)抑制細(xì)胞增殖，導(dǎo)癌細(xì)胞的生成，所以鈷基合金在人體內(nèi)的應(yīng)用會(huì)受到一定的限制[5,7]。在 20 世紀(jì)中葉，Bothe 等人通過(guò)研究動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植入體內(nèi)的純鈦與好共存，沒有發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)，開始將鈦?zhàn)鳛樯镝t(yī)用合金的原材料[8]。在究者首次研制出醫(yī)用鈦合金 Ti6Al4V，到現(xiàn)在為止被研制出的醫(yī)用鈦合數(shù)百種。鈦合金與不銹鋼和鈷基合金相比，具有模量低、強(qiáng)度高、韌性磁性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。醫(yī)用鈦合金在生物醫(yī)用方面有著廣泛例如用于修復(fù)顱骨、腦膜和腹膜；制作假牙、人工心臟部件、腦止血夾；以及醫(yī)療儀器、人工假肢等[9-11]。根據(jù)目前大量的臨床治療記錄和相實(shí)驗(yàn)，鈦及鈦合金被視為最理想的生物醫(yī)用金屬材料，使金屬植入體在有了更為優(yōu)秀的發(fā)展前景，成為繼不銹鋼和鈷基合金之后第三代生物醫(yī)料。圖 1-1 為醫(yī)用鈦合金的部分應(yīng)用。

圖 1-2 α-Ti 和 β-Ti 的晶體結(jié)構(gòu)Fig. 1-2 Crystal structure of α-Ti and β-Ti當(dāng)溫度為 20℃時(shí)，α-Ti 密度約為 4.51g/cm3，溫度為 900℃時(shí) β-Ti 的密4.32g/cm3，輕金屬和重金屬的分界點(diǎn)為 5g/cm3，所以鈦為一種較重的輕鈦具有良好的塑性。其硬度較高，約為鋁硬度的兩倍，但鈦的密度只有一半左右。鈦無(wú)論在低溫環(huán)境還是在高溫環(huán)境中的力學(xué)特性都十分優(yōu)秀鈦的機(jī)械性能依然優(yōu)秀，仍保持著十分良好的韌性與塑性和較高的強(qiáng)度十分理想的低溫容器材料。而且當(dāng)溫度高達(dá) 550~660℃時(shí)，鈦仍具有優(yōu)度。除此之外，金屬鈦的線脹系數(shù)比較低，熱導(dǎo)率小于鐵的 25%和導(dǎo)電僅為銅的 3.1%）。鈦與常見金屬性能的比較列于表 1-1：表 1-1 鈦與常見金屬性能的比較Table 1-1 Comparison of properties of titanium and common metals鈦 鋁 鐵 銅 鎂

鈦還具有良好的抗阻尼能力，在受到機(jī)械振動(dòng)以及電振動(dòng)時(shí)，其自身震動(dòng)衰減的時(shí)間較長(zhǎng)。由于鈦具有質(zhì)量輕、抗高溫、抗沖擊振動(dòng)、無(wú)毒無(wú)磁等性能，是一種優(yōu)質(zhì)的輕型耐腐蝕材料和新興的生物醫(yī)用材料，在醫(yī)療設(shè)備、汽車等民生領(lǐng)域以及航空、航天等軍工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[16,17]。1.2.2 鈦合金中的添加元素鈦的合金化為通過(guò)加入其他的添加元素和后續(xù)的手段（加工工藝、熱處理等）來(lái)研發(fā)和制造出新的鈦合金，常見的鈦合金如圖 1-3 所示。通過(guò)鈦的合金化提升加強(qiáng)合金的性能一直都是科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)于鈦合金的開發(fā)過(guò)程首先需要思考的問(wèn)題是添加元素種類的選擇和合金的設(shè)計(jì)。在加入不同添加元素之后，鈦合金會(huì)發(fā)生熱處理強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、提升合金的鈍化范圍、抗腐蝕性能以及相變點(diǎn)的提高或降低等變化。由于添加不同的元素將改變鈦元素同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的溫度，以此將添加元素主要分為 3 類：中性元素、α 相穩(wěn)定元素、β 相穩(wěn)定元素。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 程三飛;李淑娟;黃威;黃克勤;;淺析醫(yī)用鈦合金成分專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J];科技創(chuàng)新與應(yīng)用;2014年31期

2 張文毓;;生物醫(yī)用鈦合金的研究進(jìn)展[J];化學(xué)與黏合;2014年05期

3 吳義舟;郭愛紅;;生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J];材料開發(fā)與應(yīng)用;2010年02期

4 張芳,崔春翔,戚玉敏,劉雙進(jìn);預(yù)鈣化對(duì)醫(yī)用鈦合金表面沉積鈣磷層的影響[J];鈦工業(yè)進(jìn)展;2005年03期

5 ;新一代醫(yī)用鈦合金研制成功[J];稀有金屬快報(bào);2000年10期

6 于振濤;;新型生物醫(yī)用鈦合金研制成功[J];稀有金屬快報(bào);2006年01期

7 黃偉九;李兆峰;;醫(yī)用鈦合金表面改性研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2006年S2期

8 李軍,周廉,李佐臣,陳杜娟;新型醫(yī)用鈦合金Ti-12.5Zr-2.5Nb-2.5Ta的研究[J];稀有金屬材料與工程;2003年05期

9 梁芳慧;生物醫(yī)用鈦合金的新進(jìn)展[J];稀有金屬快報(bào);2001年07期

10 張英明;新型β醫(yī)用鈦合金的開發(fā)應(yīng)用[J];稀有金屬快報(bào);2000年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 于振濤;;先進(jìn)醫(yī)用鈦合金材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用[A];2013海峽兩岸功能材料科技與產(chǎn)業(yè)峰會(huì)摘要集[C];2013年

2 劉宣勇;;醫(yī)用鈦合金表面離子注入改性及其成骨和抗菌性能研究[A];2014中國(guó)功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇摘要集[C];2014年

3 于振濤;麻西群;余森;張明華;韓建業(yè);劉春潮;;生物醫(yī)用鈦合金的微納化加工技術(shù)及最新進(jìn)展[A];第十四屆全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2010年

4 韓培;顧新豐;張小農(nóng);蔣W

本文編號(hào)：2809359