CN1169746C - Ti/HA复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti/HA复合材料及其制备方法属于烧结技术领域。该材料含有重量百分比为48-78%的HA，18-48%的Ti，4-5%的水玻璃。该制备方法为在将HA粉与Ti粉进行混和的同时加入水玻璃作为钝化剂，进行烘烤；将上述三种混和粉装模具，在放电等离子烧结设备中进行烧结，抽真空，加压20～30MPa，在80-150℃/min下升温到800-950℃，保温2-10min。由该方法制得的Ti/HA复合材料强度高，致密性好，具有生物活性，并实现了Ti与HA之间冶金结合的特点。
Description
技术领域
一种Ti/HA复合材料及其制备方法属于烧结技术领域。
背景技术
钛及钛合金由于重量轻、强度高，又具有一定的生物相容性，一直被人们用作骨骼植入和修复的主要材料。然而，金属材料植入人体后，由于长期在体液环境中服役导致金属的表面腐蚀甚至使金属离子进入肌体组织而使肌体组织变质。解决这个问题的一种方法是将金属表面进行改性，生成一层具有生物活性的能与人体骨结合良好的表面。羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2以下简称HA)，是人体骨的主要成分，是一种优良的骨代用品。目前采用较多的是在基体Ti表面等离子喷涂HA涂层，然而Ti和HA属于互不浸润的两种材料，所以涂层与基体间的界面属典型的机械结合。临床表明将上述材料植入人体后，体液易沿着机械结合的缝隙渗透到界面处，造成界面腐蚀涂层剥落，因而提高结合强度应以获得冶金结合界面为最佳方案。解决上述问题的另一种方法是，直接将HA和Ti粉末烧结，微观复合。由于采用梯度过渡的形式可以实现强度与活性的结合，但采用该种方法需要较高的烧结温度，并难以同时兼顾HA和Ti不反应和宏观烧结。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服上述方法中存在的问题，提供一种强度高，致密性好，具有生物活性，并实现了Ti与HA之间冶金结合的Ti/HA复合材料及其制备方法。
本发明所提供的Ti/HA复合材料，其特征在于：该复合材料为烧结体，含有重量百分比为48-78％的HA，18-48％的Ti，4-5％的水玻璃。
本发明所提供的Ti/HA复合材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：(1)在将HA粉与Ti粉进行混和的同时加入水玻璃作为钝化剂，烘烤；(2)将上述三种混和粉装模具，在放电等离子烧结设备中进行烧结，抽真空，加压20～30MPa，在速率为80-150℃/min下快速升温到800-950℃，保温2-10min。
本发明在材料的配方上，加入了一定量的水玻璃作为钝化剂，避免了烧结时Ti与HA之间的反应。本发明采用了放电等离子的烧结方法，在特殊的烧结机理下。低温，快速烧结，实现了HA的不分解，并得到了冶金结合，具有强度高，致密性好，具有生物活性的Ti/HA复合材料。
从图2、3的显微照片可以看出，加入水玻璃钝化剂后，孔隙大大减少，烧结更加致密，实现了Ti与HA之间很好的冶金结合。
见表1，将烧结试样在水中浸泡7天后测定其pH值：pH值变化说明烧结时发生反应，有新物质生成；pH值不变化说明烧结时没有反应发生。相应随着pH的变化生物相容性也发生变化。
检测溶血百分率是生物实验的一个重要部分，可以检测生物活性，是材料用于生物方向的必不可少的指标，小于或等于5为合格。
实施例1中Ti/HA加入4％的水玻璃钝化剂进行烧结，与对比例进行对比可见，其硬度提高了26％，相对密度提高了24.7个百分点，在水中浸泡后，溶液pH值不再变化，溶血百分率达到4，满足临床要求(溶血百分率应小于或等于5)。
附图说明
图1：烧结的模具示意图。
图2：Ti/HA(1∶1)复合材料的显微照片。
图3：Ti/HA(1∶1)加水玻璃(4％)后复合材料的显微照片。
图1中F为施加的压力；1.模具上压头，2.碳纸，3.混合粉，4.模具外套，5.模具下压头。
具体实施方式
1.取羟基磷灰石粉4.8g，钛粉4.8g和水玻璃0.4g进行配粉，放入混粉机中进行混合，混合均匀后，在100℃烘箱中烘烤1小时。然后称取上述混合粉4g装入φ24的石墨模具中，压实，放入放电等离子烧结设备中，抽真空至4Pa，加压力30MPa，升温速度100℃/min，升温至870℃保温3min，缓慢冷却至室温取出，得到Ti/HA复合材料，其性能测试见表1。
2.取羟基磷灰石粉5.95g，钛粉3.55g和水玻璃0.5g进行配粉，放入混粉机中进行混合，混合均匀后，在100℃烘箱中烘烤1小时。然后称取上述混合粉4g装入φ24的石墨模具中，压实，放入放电等离子烧结设备中，抽真空至4Pa，加压力30MPa，升温速度100℃/min，升温至870℃保温3min，缓慢冷却至室温取出，得到Ti/HA复合材料，其性能测试见表1。
3.取羟基磷灰石粉7.8g，钛粉1.8g和水玻璃0.4g进行配粉，放入混粉机中进行混合，混合均匀后，在100℃烘箱中烘烤1小时。然后称取上述混合粉4g装入φ24的石墨模具中，压实，放入放电等离子烧结设备中，抽真空至4Pa，加压力30MPa，升温速度100℃/min，升温至870℃保温3min，缓慢冷却至室温取出，得到Ti/HA复合材料，其性能测试见表1。
4.取羟基磷灰石粉7.8g，钛粉1.8g和水玻璃0.4g进行混合，混合均匀后，在100℃烘箱中烘烤1小时。然后称取上述混合粉4g装入φ24的石墨模具中，压实，放入放电等离子烧结设备中，抽真空至4Pa，加压力20MPa，升温速度80℃/min，升温至850℃保温2min，缓慢冷却至室温取出，得到Ti/HA复合材料，其性能测试见表1。
5.取羟基磷灰石粉7.8g，钛粉1.8g和水玻璃0.4g进行配粉，放入混粉机中进行混合，混合均匀后，在100℃烘箱中烘烤1小时。然后称取上述混合粉4g装入φ24的石墨模具中，压实，放入放电等离子烧结设备中，抽真空至4Pa，加压力30MPa，升温速度100℃/min，升温至870℃保温3min，缓慢冷却至室温取出，得到Ti/HA复合材料，其性能测试见表1。
表1
| 成分(重量百分比) | 烧结工艺 | 硬度(HRA) | 密度(g/cm2) | 相对密度(％) | 烧结试样在水中浸泡7天后的PH值 | 溶血百分率(％) | ||||
| 压力(MPa) | 升温速度(℃/min) | 烧结温度(℃) | 保温时间(min) | |||||||
| 对比例 | Ti∶HA(50∶50) | 30 | 100 | 870 | 3 | 47 | 2.63 | 69.7 | 13 | 30 |
| 实施例1 | Ti∶HA∶水玻璃(48∶48∶4) | 30 | 100 | 870 | 3 | 60 | 3.57 | 94.4 | 7 | 4 |
| 实施例2 | Ti∶HA∶水玻璃(35.5∶59.5∶5) | 30 | 100 | 870 | 3 | 54 | 3.45 | 95.8 | 7 | 4 |
| 实施例3 | Ti∶HA∶水玻璃(18∶78∶4) | 30 | 100 | 870 | 3 | 50 | 3.27 | 99.1 | 7 | 3 |
| 实施例4 | Ti∶HA∶水玻璃(18∶78∶4) | 20 | 80 | 850 | 2 | 46 | 3.21 | 97.3 | 7 | 3 |
| 实施例5 | Ti∶HA∶水玻璃(18∶78∶4) | 30 | 150 | 950 | 10 | 52 | 3.28 | 99.4 | 7 | 3 |
Claims (2)
1、一种Ti/HA复合材料，其特征在于：该复合材料为烧结体，含有重量百分比为48-78％的羟基磷灰石，18-48％的Ti，4-5％的水玻璃。
2、根据权利要求1所述的Ti/HA复合材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：(1)在将羟基磷灰石粉与Ti粉进行混和的同时加入水玻璃作为钝化剂，烘烤；(2)将上述三种混和粉装模具，在放电等离子烧结设备中进行烧结，抽真空，加压20～30MPa，在80-150℃/min下升温到800-950℃，保温2-10min。
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