兩種生物醫(yī)用鈦合金的納米力學(xué)性能及腐蝕與磨損行為研究.pdf

1、隨著醫(yī)用器材在臨床醫(yī)學(xué)中的大量應(yīng)用，生物材料的需求與日俱增。鈦合金由于具有質(zhì)輕，比強(qiáng)度高，無毒性，良好的抗蝕性能以及優(yōu)異的生物相容性，已經(jīng)成為了杰出的生物醫(yī)用金屬材料。然而，鈦合金植入人體臨床表明，鈦合金的彈性模量高于人體骨骼易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”，造成骨質(zhì)疏松和植入體的松動(dòng)。為了保持鈦合金特性且匹配人體骨骼的彈性模量，添加無毒元素Nb、Zr、Sn等制備β型鈦合金是一條行之有效的途徑。此外，醫(yī)用鈦合金在實(shí)際工作狀態(tài)中，由于耐磨性能差，在

2、植入狀態(tài)下易遭受磨損的破壞，導(dǎo)致植入失效。這就要求不能僅考慮某單一性能的改善，還應(yīng)考慮鈦合金綜合性能的提高。針對(duì)以上問題，本論文采用非自耗電弧熔煉爐制備了Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn兩種新型生物醫(yī)用β型鈦合金，并對(duì)兩種β型鈦合金的納米力學(xué)性能、摩擦磨損性能、腐蝕性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。同時(shí)，考慮到鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，本文也對(duì)其耐高溫氧化性能行了研究。研究結(jié)果如下：
　　1、采用納米壓痕技術(shù)，對(duì)新

3、型醫(yī)用鈦合金Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn的納米力學(xué)性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ti-33Nb-4Sn合金和 Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的接觸剛度-位移擬合曲線呈線性關(guān)系，且Ti-33Nb-4Sn合金的擬合斜率大于Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金；Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金抵抗外加載荷的能力要優(yōu)于 Ti-33Nb-4Sn合金，且卸載后Ti-31Nb-3Zr-4Sn的塑性變形較 Ti-33Nb-

4、4Sn合金要小；Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn兩種合金的彈性模量顯著低于Ti-6Al-4V合金的彈性模量，Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金彈性模量是三種合金中最低。Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金彈性模量與人體骨骼相匹配，其硬度相對(duì)較高，抗外加載荷能力優(yōu)秀，塑性形變小。
　　2、采用往復(fù)磨損試驗(yàn)儀對(duì)兩種合金的摩擦磨損性能及機(jī)理進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的摩

5、擦系數(shù)，
　　Ti-33Nb-4Sn合金的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間的增加，呈緩慢上升的趨勢，Ti-6Al-4V合金的摩擦系數(shù)隨時(shí)間上升會(huì)有比較明顯的波動(dòng)，但最后會(huì)趨于穩(wěn)定。三種合金的平均摩擦系數(shù)從大到小依次為：Ti-33Nb-4Sn> Ti-6Al-4V> Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金。三種合金在摩擦過程中，均形成了相對(duì)明顯的犁溝并產(chǎn)生了大量的磨屑，呈現(xiàn)出磨粒磨損、氧化磨損和粘著磨損的磨損形式。通過比對(duì)摩擦系數(shù)以及磨痕形貌，表明Ti

6、-31Nb-3Zr-4Sn合金的耐磨性最佳。
　　3、采用動(dòng)電位極化曲線法和阻抗譜曲線法研究了Ti-33Nb-4Sn、Ti-31Nb-3Zr-4Sn和Ti-6Al-4V合金在模擬人體體液中的電化學(xué)腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比Ti-6Al-4V合金，Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金在模擬人體體液中的耐腐蝕性能均未顯著降低，腐蝕性能無優(yōu)劣化，并能保持穩(wěn)定的鈍化和大范圍的鈍化面積。
　　4、對(duì)Ti-33N