Sol-gel工艺制备Cf/CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物复合材料

论文摘要

本文采用溶胶-凝胶法制备了CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物微晶玻璃及其碳纤维增强的Cf/CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物复合材料,研究了热处理工艺和烧结温度对微晶玻璃及其复合材料的物相组成、微观组织和力学性能的影响,并对材料在模拟体液（SBF）中的表面沉积行为进行了初步探讨。研究结果表明:热压烧结和无压烧结制备的CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物微晶玻璃的抗弯强度和断裂韧性均随烧结温度的升高而逐渐降低,热压制备材料的抗弯强度和致密度要明显高于无压制备结果,热压烧结CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物微晶玻璃在1050℃,10MPa时可达到的最高力学性能分别为:抗弯强度65.9MPa和断裂韧性1.29MPa.m1/2,无压烧结分别可达到20.1MPa和0.49MPa.m1/2。热压烧结Cf/CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物复合材料的抗弯强度和断裂韧性在相同压力下,随温度的升高而逐渐降低;在相同温度下,随压力的增大而增大;热压烧结Cf/CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物复合材料在1050℃,15MPa时可达到的最高力学性能分别为:抗弯强度237.1MPa和断裂韧性6.45MPa.m1/2,较CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物微晶玻璃分别提高了大约3倍和5倍,弹性模量21.8GPa,基本符合了骨代替和移植材料的力学性能方面的要求。裂纹偏转和纤维拔出是Cf/CaO-ZnO-P2O5-SiO2生物复合材料力学性能提高的主要机理。通过对CaO-ZnO-P2O5-SiO2体系微晶玻璃和Cf/ CaO-ZnO-P2O5-SiO2材料体外法试验,由XRD图和SEM图知该体系具有很好的生物活性,而且表面的粗糙度影响材料的体外生物行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 人工骨替代和修复材料
• 1.2.1 生物惰性材料
• 1.2.2 生物可降解材料
• 1.2.3 生物活性材料
• 1.2.4 生物复合材料
• 1.3 微晶玻璃
• 1.3.1 微晶玻璃简介
• 1.3.2 生物微晶玻璃的制备方法
• 1.3.3 生物玻璃和微晶玻璃的组成与结构
• 2O₅-SiO₂ 生物微晶玻璃研究现状'>1.3.4 CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂生物微晶玻璃研究现状
• 1.4 碳纤维/微晶玻璃复合材料的研究进展
• 1.4.1 碳纤维/微晶玻璃的制备
• 1.4.2 碳纤维/微晶玻璃的力学性能
• 1.5 研究内容、目的及意义
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 玻璃成分设计
• 2.1.1 玻璃中氧化物的作用
• 2.1.2 玻璃成分设计
• 2.2 试验用原材料和所用设备
• 2.3 材料的基本性能测试
• 2.3.1 致密度
• 2.3.2 抗弯强度和弹性模量的测试
• 2.3.3 断裂韧性的测试
• 2.4 材料的组织结构分析
• 2.4.1 XRD 物相分析
• 2.4.2 热分析
• 2.4.3 形貌扫描电镜（SEM）分析
• 2.4.4 EDS 分析
• 2.5 模拟体液中生物学实验
• 2.5.1 试样的制备
• 2.5.2 模拟体液的配制
• 2.5.3 试样浸泡过程
• 2.5.4 浸泡前后表面物相分析和形貌、成分分析
• 第3章 微晶玻璃及其复合材料的制备工艺的研究
• 2O₅-SiO₂ 微晶玻璃'>3.1 CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂微晶玻璃
• 3.1.1 溶胶-凝胶的制备
• 3.1.2 微晶玻璃的热处理制度
• 3.1.3 微晶玻璃的物相分析
• 2O₅-SiO₂ 微晶玻璃'>3.2 制备CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂微晶玻璃
• 2O₅-SiO₂ 微晶玻璃'>3.2.1 无压烧结制备CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂微晶玻璃
• 2O₅-SiO₂ 微晶玻璃'>3.2.2 热压烧结制备CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂微晶玻璃
• f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂ 复合材料'>3.3 C_f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂复合材料
• f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂ 复合材料的制备'>3.3.1 C_f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂复合材料的制备
• 2O₅-SiO₂ 复合材料的影响'>3.3.2 不同烧结温度对Cf/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂复合材料的影响
• 2O₅-SiO₂ 复合材料的影响'>3.3.3 不同压力对Cf/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂复合材料的影响
• f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂ 复合材料的比较'>3.4 基体与C_f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂复合材料的比较
• 3.5 本章小结
• 2O₅-SiO₂ 微晶玻璃及其复合材料在SBF 中的表面沉积行为'>第4章 CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂ 微晶玻璃及其复合材料在SBF 中的表面沉积行为
• 4.1 模拟体液的选择
• f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂ 表面XRD 分析'>4.2 C_f/CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂ 表面XRD 分析
• 4.3 表面形貌分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢