碳纖維表面多功能涂層的制備及其增強(qiáng)羥基磷灰石復(fù)合材料的研究.pdf

1、本課題源于導(dǎo)師的陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“碳纖維/原位生長(zhǎng)納米 HA協(xié)同強(qiáng)韌 HA復(fù)合材料的研究（2014JM6233）”和陜西科技大學(xué)學(xué)術(shù)骨干培育計(jì)劃項(xiàng)目（XSGP201208），是國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51072107）的延續(xù)工作，具體敘述如下：
　　羥基磷灰石（HA）是人體硬組織的主要無機(jī)成分，具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，是一種具有極大應(yīng)用前景的骨移植修復(fù)材料。但HA生物陶瓷脆性大、強(qiáng)度低限制了其作為承重骨在人

2、體中的廣泛應(yīng)用。碳纖維（CF）具有低密度、高強(qiáng)度及良好的生物性能，是改善HA綜合力學(xué)性能的理想增強(qiáng)材料之一。然而，由于碳纖維和HA的熱膨脹系數(shù)（CF：1.0×10-6/K，HA：11.6×10-6/K）存在較大差異以及 HA高溫脫羥分解過程中產(chǎn)生的 O2-、H2O對(duì)碳纖維具有嚴(yán)重的氧化損壞作用，使碳纖維對(duì)HA的強(qiáng)韌效果遠(yuǎn)未達(dá)到理論預(yù)測(cè)水平。本文針對(duì)以上問題，為實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)增韌HA人工骨復(fù)合材料，從燒結(jié)保護(hù)、生物活性、碳纖維與HA基體之

3、間界面結(jié)合性能等方面出發(fā)，在碳纖維表面分別構(gòu)筑了納米 HA（nHA）生物活性涂層、SiC燒結(jié)保護(hù)涂層和TiAl/nHA復(fù)合涂層等多功能涂層，采用不同燒結(jié)工藝制備了碳纖維/多功能涂層/HA復(fù)合材料。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　采用混合酸/雙氧水溶液（NHSH）對(duì)碳纖維進(jìn)行了改性處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性處理后的碳纖維（NHSH-CF）表面粗糙度增加，比表面積增大，并接枝了大量的羥基（-OH）、羧基（-COOH）等活性含氧官能團(tuán)。與未改性處

4、理的碳纖維相比，-OH和-COOH數(shù)量分別提高了近8倍和12倍。通過電化學(xué)沉積法在NHSH-CF表面制備了形貌、結(jié)構(gòu)及成分可控的nHA涂層。結(jié)果表明：在電流密度為5.0mA/cm2時(shí)，隨著沉積時(shí)間由60min延長(zhǎng)至180min，nHA涂層由納米針狀結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)榱前魻罱Y(jié)構(gòu)。
　　利用低壓化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面沉積了一定厚度、形貌與結(jié)構(gòu)的SiC涂層。研究了不同工藝條件下碳纖維表面SiC涂層的形成機(jī)理及其對(duì)碳纖維力學(xué)性能和燒結(jié)保

5、護(hù)性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)沉積時(shí)間為180min時(shí)，SiC涂層致密均勻且連續(xù)地包覆于碳纖維表面，厚度達(dá)到1.0μm且抗氧化性能良好。通過多弧離子鍍法復(fù)合電化學(xué)沉積法在 NHSH-CF表面制備了TiAl/nHA復(fù)合涂層。研究了碳纖維表面狀態(tài)和不同工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合涂層形貌、成分及結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。當(dāng)多弧離子鍍沉積60min后，NHSH-CF表面能夠獲得理想的TiAl涂層，涂層厚度約0.2μm；當(dāng)電化學(xué)沉積時(shí)間為180min時(shí)，具有TiAl涂層的碳纖維

6、（TiAl-CF）表面能夠沉積得到厚度為0.5μm且緊密包覆于TiAl-CF表面的nHA涂層。
　　最后，本文采用熱壓燒結(jié)和常壓燒結(jié)工藝分別制備了具有良好生物力學(xué)相容性的CF/nHA/HA、CF/SiC/HA和CF/TiAl-nHA/HA三種復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維含量、碳纖維表面狀態(tài)、燒結(jié)工藝以及界面結(jié)合特性對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和強(qiáng)韌機(jī)理具有較大的影響。當(dāng) nHA-CF、SiC-CF和TiAl/nHA-CF被用于增強(qiáng)HA復(fù)合材料

7、時(shí)，由于碳纖維表面與HA匹配或過渡熱膨脹系數(shù)涂層的存在，復(fù)合材料在冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力將顯著降低。涂層碳纖維可以作為“橋梁”有效控制界面間隙的形成，改善碳纖維和HA之間的界面結(jié)合性能。本文所制備的CF/nHA/HA和CF/SiC/HA復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性較 HA生物陶瓷均有明顯的提高。CF/SiC/HA和CF/TiAl-nHA/HA復(fù)合材料中的碳纖維獲得了良好的燒結(jié)保護(hù)，界面結(jié)合性能得到明顯改善。本研究有望為具有良好生物力學(xué)