CN103027782B - 一种生物医用发热复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物医用发热复合材料及制备方法，将镍铬合金棒材和钛或者钛合金管表面清洗至露出新金属表面；然后将镍铬合金棒材套装在钛或者钛合金管中并置于爆炸复合套管内，实现精确定位，管棒间隙0.5-2mm；在钛或者钛合金管外侧与爆炸复合套管间均匀布入5-20mm厚度的炸药，经过爆炸复合工艺和适当的热处理工艺制造出生物医用发热复合材料，再经过多道次拉拨，制成生物医用发热复合丝材。制备的生物医用发热复合材料复合界面控制好，具有生物相容、发热稳定的优异性能，充分发挥了钛或者钛合金的生物相容性和镍铬合金的高强度和抗腐蚀性，电阻高，在电磁作用下能够产生振动等多项功能特性，可应用于生物医疗领域中。适于工业化生产。

Description

一种生物医用发热复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物医用发热复合棒材料及制备方法。特别是指一种具有生物相容、发热稳定的生物医用发热复合材料及制备方法。属于生物医用材料制备技术领域。

背景技术

随着社会竞争压力的增大，人口老龄化等原因，慢性肌筋膜炎等疼痛病症已经成为导致人体长期、慢性顽固性疼痛的主要原因之一，药物治疗效果缓慢易复发、且部分疗效不理想。因此，迫切需要开发一种具有振动、发热的材料，使其既具有发热均匀、振动稳定，又能够对人体无毒性即生物相容性，从而用于慢性肌筋膜炎治疗，并扩展到其他神经病理性疼痛和癌痛的治疗。

钛及钛合金是目前应用最广泛的医用金属材料，具有良好的生物相容性，其应用领域包括骨科、矫形外科、牙科、口腔医学、血管扩张器、人工气管、心脏起博器以及手术医疗器械等。然而该种材料导电性好，不具备良好的发热功能。镍铬合金具有高强度、高电阻、腐蚀等优异性能，常用作电阻材料。这两种材料各有优势，如能够复合成一种材料，将能够满足生物相容和发热的要求。

爆炸复合技术，是一种新型的先进制造技术,它的主要特点在于激波的瞬态加载，局部升温，过程持续时间以微秒为量级。可以使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合而制备出一种新型复合材料。具有工艺简便，操作方便，成本低廉等优势。金属在界面的冶金结合使材料具有稳定的连接。

由于钛是一种极为活泼的金属，在高温高压条件下易产生氧化反应,特别是与镍、铬等合金元素结合极易生成脆性金属间化合物，从而易使复合材料界面连接性能弱化。因此，如何优化爆炸复合工艺参数，从而控制镍铬合金和钛或者钛合金复合界面区的金属间化合物和脆性物质的形成，使其具有良好组织和力学性能，是生物医用发热复合材料制备方法需要解决的核心问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种生物医用复合材料及制备方法。

本发明一种生物医用发热复合材料及制备方法，包括包覆材料、芯材，所述包覆材料包裹在芯材外表面，通过爆炸复合，使芯材与包覆材料之间实现冶金结合；所述包覆材料选自钛或钛合金，所述芯材选自镍铬合金。

本发明一种具有振动和发热功能的生物医用复合材料，所述包覆材料选自TA2纯钛、TC4钛合金中的一种；所述芯材选自X20H80、X15H60镍铬合金中的一种。

本发明一种生物医用发热复合材料的制备方法，包括下述步骤：

第一步，原材料表面处理：

取圆柱状芯材以及圆管状包覆材料，要求圆管状包覆材料内径比芯材直径大1-4mm，对芯材及包覆材料表面清洗后，置于硝酸溶液中钝化至材料表面呈现银白色金属光泽；

第二步：爆炸复合：

将第一步所得的芯材、包覆材料置于爆炸复合套管中，将包覆材料套装在所述芯材外，要求包覆材料与芯材同轴线，实现精确定位；然后，在包覆材料外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入5-20mm厚度的炸药；在复合套管顶盖中央垂直插入直径5-10mm雷管，然后，将爆炸复合套管放在吸震座上，引爆，得到生物医用发热复合材料坯。

本发明一种生物医用发热复合材料的制备方法，将制备的生物医用发热复合材料坯加热至510-610℃保温30分钟后出炉空冷，进行去应力退火。

本发明一种生物医用发热复合材料的制备方法，将去应力退火后的生物医用发热复合材料坯进行至少8道次拉拔，每道次拉拔后，进行退火，制得生物医用发热复合丝材；所述退火温度为510-610℃，保温时间30分钟；每道次拉拔的变形量为0.8-1.5mm。

本发明一种生物医用发热复合材料的制备方法,所述的芯材长度为500-600mm、直径为9-10mm，圆管状包覆材料长度为500-600mm、外径为13-15mm、壁厚为0.5-2mm。

本发明一种生物医用发热复合材料及制备方法,所述圆管状包覆材料内径比芯材直径大1-4mm。

本发明一种生物医用发热复合材料及制备方法,所述的金属表面处理方法是用温度为400-450℃、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗1-5分钟后水洗，再置于温度为60-70℃、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3-10分钟后水洗；最后，置于温度为50-70℃、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化1-5分钟后，水洗、干燥。

本发明一种生物医用发热复合材料及制备方法，所述炸药为乳化炸药或者粉状炸药。其生产企业是：湖南神斧民爆集团有限公司；产品型号是：2号岩石乳化炸药、2号岩石粉状炸药

本发明一种生物医用发热复合材料及制备方法,所述吸震座选自松软土堆、沙堆中的一种；所述吸震座的高度在50-80cm，面积大于等于100cm²。

采用上述技术方案的生物医用发热复合棒材料的制备方法，经过碱酸洗并干燥获得干净的具有新金属表面的钛或者钛合金管坯与镍铬合金棒坯，通过管棒精确定位装置严格控制二者间隙和炸药厚度以及雷管位置，利用松土堆缓冲爆炸压力，结合有效地退火热处理工艺控制复合界面脆性物质，制备出生物医用发热复合棒材料。该材料是具有生物相容、发热稳定的金属基复合材料。该发热复合棒材料应用于制备需要发热或者植入发热的生物和人体的医疗（理疗）设备中。

本发明的优点和有益效果是：综合利用了钛和钛合金的生物相容性，以及镍铬合金的高强度、高电阻、耐腐蚀等优异性能。通过爆炸复合这一新型的复合技术，使二者有机的结合在一起，满足生物相容、发热稳定的需要；在电磁作用下能够产生振动等多项功能特性。通过对金属表面处理以及优化爆炸工艺参数（爆炸间隙、炸药厚度和雷管位置等），从而控制镍铬合金和钛或者钛合金复合界面区的金属间化合物和脆性物质的形成，使其具有良好组织和力学性能。具有高强度、发热均匀、振动稳定和生物相容性等优异性能；多道次复合拉拔工艺，配合退火热处理工艺，制备出具有振动发热功能的生物医用复合丝材。本发明设计的爆炸复合工艺具有简便，操作方便，成本低廉等优势。

综上所述，本发明是一种充分发挥钛或者钛合金的生物相容性和镍铬合金的高强度、高电阻、耐腐蚀等优异性能，复合界面能得到很好控制，具有生物医用发热的复合材料及制备方法。

附图说明

附图1为本发明爆炸复合组装结构示意图。

图中：1-雷管，2-圆管状包覆材料，3-芯材，4-炸药，5-圆管状包覆材料与芯材之间的间隙。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下：

第一步，原材料表面处理：

取长度为500mm、直径为10mm的X20H80镍铬合金芯材和长度为500mm、外径为13mm、壁厚为0.5mm的TA2钛管，用温度为400℃、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗3分钟后水洗，再置于温度为65℃、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗5分钟后水洗；最后，置于温度为60℃、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；

第二步，爆炸复合：

参见附图1，将第一步所得的镍铬合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，要求TA2钛管与芯材同轴线；然后，在TA2钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20mm厚度的2号岩石乳化炸药；在制备装置顶盖中央垂直插入直径5mm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为100cm²高的松软土堆上，引爆，得到生物医用发热复合材料坯。

样品效果：成品性能稳定，结合界面处出现厚度为50μm左右的均匀熔化层，界面剪切强度高达200MP以上。

将制备得到的生物医用发热复合材料坯表面进行清洗后，放入热处理炉中，510-520℃保温30分钟，进行退火，然后，进行12道次拉拔，每道次拉拔间，进行510-520℃，保温30分钟的退火；最终制成直径为1.2mm复合丝材。

样品效果：复合棒界面均匀熔化层厚度为5μm左右；通电大约1分钟时间，使该丝材周边5mm范围，升温至42-45℃；通过50Hz交流电流，能够产生50Hz的振动。

实施例2：

生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下：

第一步，原材料表面处理：

取长度为600mm、直径为9mm的X15H60镍铬合金芯材和长度为600mm、外径为14mm、壁厚为1mm的TC4钛管，用温度为450℃、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗，再置于温度为70℃、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗8分钟后水洗；最后，置于温度为70℃、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化5分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；

第二步，爆炸复合：

参见附图1，将第一步所得的镍铬合金芯材、TC4钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，要求TC4钛管与芯材同轴线；然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入10mm厚度的2号岩石乳化炸药；在制备装置顶盖中央垂直插入直径10mm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为100cm²高的松软土堆上，引爆，得到生物医用发热复合材料坯。

样品效果：成品性能稳定，结合界面处出现厚度为30μm左右的均匀熔化层，界面剪切强度可高达230MP以上。

将制备得到的生物医用发热复合材料坯表面进行清洗后，放入热处理炉中，600-610℃保温30分钟，进行退火，然后，进行8道次拉拔，每道次拉拔间，进行600-610℃，保温30分钟的退火；最终制成直径为1.4mm复合丝材。

样品效果：复合棒界面均匀熔化层厚度为8μm左右；通电大约1分钟时间，使该丝材周边5mm范围，升温至42-45℃；通过50Hz交流电流，能够产生50Hz的振动。

Claims (6)

1.一种生物医用发热复合材料，包括包覆材料、芯材，所述包覆材料包裹在芯材外表面，通过爆炸复合，使芯材与包覆材料之间实现冶金结合；所述包覆材料选自TA2纯钛、TC4钛合金中的一种；所述芯材选自X20H80、X15H60镍铬合金中的一种；

所述生物医用发热复合材料的制备方法，包括下述步骤：

第一步，原材料表面处理：

取圆柱状芯材以及圆管状包覆材料，要求圆管状包覆材料内径比芯材直径大1-4mm，对芯材及包覆材料表面清洗后，置于硝酸溶液中钝化至材料表面呈现银白色金属光泽；

第二步：爆炸复合：

将第一步所得的芯材、包覆材料置于爆炸复合套管中，将包覆材料套装在所述芯材外，要求包覆材料与芯材同轴线，实现精确定位；然后，在包覆材料外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入5-20mm厚度的炸药；在复合套管顶盖中央垂直插入直径5-10mm雷管，然后，将爆炸复合套管放在吸震座上，引爆，得到生物医用发热复合材料坯；

将制备的生物医用发热复合材料坯加热至510-610℃保温30分钟后出炉空冷，进行去应力退火；

将去应力退火后的生物医用发热复合材料坯进行至少8道次拉拔，每道次拉拔后，进行退火，制得生物医用发热复合丝材；所述退火温度为510-610℃，保温时间30分钟；每道次拉拔的变形量为0.8-1.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种生物医用发热复合材料，其特征在于：所述的芯材长度为500-600mm、直径为9-10mm，圆管状包覆材料长度为500-600mm、外径为13-15mm、壁厚为0.5-2mm。

3.根据权利要求1所述的一种生物医用发热复合材料，其特征在于：所述圆管状包覆材料内径比芯材直径大1-3mm。

4.根据权利要求1所述的一种生物医用发热复合材料，其特征在于：所述的对芯材及包覆材料表面清洗是用温度为400-450℃、质量百分浓度为95％的工业烧碱溶液清洗1-5分钟后水洗，再置于温度为60-70℃、质量百分浓度为18％的硫酸和质量百分浓度为3％的NaCl混合溶液中酸洗3-10分钟后水洗；最后，置于温度为50-70℃、质量百分浓度为8％的硝酸溶液中钝化1-5分钟后，水洗、干燥。

5.根据权利要求1所述的一种生物医用发热复合材料，其特征在于：所述炸药为乳化炸药或者粉状炸药。

6.根据权利要求1所述的一种生物医用发热复合材料，其特征在于：所述吸震座选自松软土堆、沙堆中的一种；所述吸震座的高度在50-80cm，面积大于等于100cm²。