羟基磷灰石纤维的合成及与氧化锆纳米粉的复合

论文摘要

羟基磷灰石（HA）是组成生物体硬组织的主要无机物,在牙釉质中含量高达97%。组成牙釉质的HA晶体呈细长的纳米纤维状,且截面呈六角形。但是单一的羟基磷灰石无法满足人类对牙齿力学性能的要求。氧化锆（ZrO2）作为一种生物惰性陶瓷,具有良好的生物相容性,而且其强度高和韧性好。所以,本论文将纤维状HA和纳米ZrO2复合,制备出力学性能优良的牙科材料。首先,以Ca（NO3）2·4H2O和（NH4）2HPO4作为Ca源和P源,山梨醇为模板剂,尿素作为pH调节剂,利用水热均相沉淀法合成结晶度高、形貌均一的类牙釉质HA纤维。采用XRD和SEM对其物相、结晶度和微观形貌进行表征,分析尿素和山梨醇对材料形貌、成分的影响,并探讨了HA纤维的生长过程。结果表明,当尿素浓度为0.80 mol·L-1,山梨醇0.26 mol·L-1时可以得到纯HA纤维,长约12μm,截面直径100200nm,结晶良好且形貌均匀。在HA纤维的生长过程中,尿素高温下分解产生OH—调节体系的pH值,对产物的物相产生影响,而对其形貌影响较小;山梨醇与HA的（100）和（001）晶面形成氢键作用,使（100）晶面表面能大大降低,促使晶体沿c轴生长,成为纤维状。其次,制备了羟基磷灰石/氧化锆复合陶瓷,研究了烧结工艺和组成比例对复合陶瓷物相的影响。不同烧结温度下,复合陶瓷均含有四方相氧化锆,单斜相氧化锆,Ca3（PO4）2（β-TCP）和立方相固溶体c-Ca0.15Zr0.85O1.85。随着烧结温度升高,由于羟基磷灰石分解完全,其产物β-TCP增加,单斜相氧化锆减少。相同烧结温度下,随着羟基磷灰石含量的增加,复合陶瓷中β-TCP和c-Ca0.15Zr0.85O1.85均增加。对复合陶瓷的烧结性能和力学性能进行了研究。结果表明,由于烧结温度升高,烧结驱动力增大,线收缩率增大,孔隙率减小,硬度和断裂韧性先增大后减小。相同烧结温度下氧化锆含量增加,孔隙率减小,烧结活化能增大,复合陶瓷的硬度和断裂韧性均增大。在1300°C烧结下,含羟基磷灰石40mass%的复合陶瓷硬度约7GPa,断裂韧性约2.3MPa·m1/2,与牙釉质的硬度比较接近,作为牙科替代材料有潜在的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 羟基磷灰石的研究现状
• 1.2.1 羟基磷灰石的性质
• 1.2.2 羟基磷灰石的应用
• 1.2.3 羟基磷灰石形貌的研究进展
• 1.3 羟基磷灰石纤维的合成方法
• 1.3.1 固相法
• 1.3.2 熔盐法
• 1.3.3 均相沉淀法
• 1.3.4 水热法
• 1.3.5 水热均相沉淀法
• 1.3.6 其他方法
• 1.4 羟基磷灰石氧化锆复合材料研究进展
• 1.4.1 复合陶瓷粉体的制备
• 1.4.2 复合陶瓷的制备
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验材料与设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 羟基磷灰石纤维的合成
• 2.2.2 羟基磷灰石纤维与氧化锆复合材料的制备
• 2.3 材料表征方法
• 2.3.1 X-射线衍射分析
• 2.3.2 扫描电镜分析
• 2.4 材料性能测试
• 2.4.1 羟基磷灰石粉体的结晶度
• 2.4.2 复合陶瓷的体积密度和显气孔率
• 2.4.3 复合陶瓷的硬度
• 2.4.4 复合陶瓷的断裂韧性
• 第3章 羟基磷灰石纤维的合成
• 3.1 尿素浓度对羟基磷灰石纤维的影响
• 3.1.1 尿素浓度对羟基磷灰石纤维物相的影响
• 3.1.2 尿素浓度对羟基磷灰石纤维形貌的影响
• 3.2 山梨醇浓度对羟基磷灰石纤维的影响
• 3.2.1 山梨醇浓度对羟基磷灰石纤维物相的影响
• 3.2.2 山梨醇浓度对羟基磷灰石纤维形貌的影响
• 3.3 反应时间对羟基磷灰石纤维的影响
• 3.3.1 反应时间对羟基磷灰石纤维物相的影响
• 3.3.2 反应时间对羟基磷灰石纤维形貌的影响
• 3.4 钙磷比对羟基磷灰石纤维的影响
• 3.5 羟基磷灰石纤维的生长过程分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 羟基磷灰石/氧化锆复合陶瓷的性能研究
• 4.1 复合陶瓷的物相分析
• 4.1.1 烧结温度对复合陶瓷物相的影响
• 4.1.2 氧化锆含量对复合陶瓷物相的影响
• 4.2 复合陶瓷的烧结性能
• 4.2.1 复合陶瓷的线收缩率
• 4.2.2 复合陶瓷的孔隙率
• 4.2.3 复合陶瓷的体积密度
• 4.3 复合陶瓷的力学性能
• 4.3.1 复合陶瓷的维氏硬度
• 4.3.2 复合陶瓷的断裂韧性
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢