基本信息
- 項目名稱：
- 生物醫(yī)用Zr-Si體系合金相圖、微觀結(jié)構(gòu)與性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 為彌補鈦合金在醫(yī)用上存在的不足和缺陷，充分利用鋯合金具備的各項優(yōu)越性能，實現(xiàn)鋯合金替代或部分替代鈦合金在生物醫(yī)用植入材料上的應(yīng)用。本課題通過運用相圖以及材料性能分析相結(jié)合的方法，對Zr-Si-RE(La、Er)合金體系進行分析，并對Zr-Si-Nb合金的性能進行研究。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計和研究多種新型鋯合金，以期研究出適合醫(yī)用的鋯合金體系。
- 詳細介紹：
- 當前，鈦及鈦合金因具有的良好的生物相容性、耐蝕性等力學(xué)性能而在醫(yī)用植入材料上得到廣泛應(yīng)用。但是隨著醫(yī)學(xué)水平的不斷發(fā)展，其自身存在的缺點和不足也日漸顯現(xiàn)出來，研究和開發(fā)新的更能適合人類需求的生物醫(yī)用材料成為了當今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個主要任務(wù)和難題。而鋯合金不僅具備了鈦合金作為醫(yī)用植入材料所具備的各種優(yōu)越性能，而且還具有比鈦合金更高的耐蝕性、強度、更低的楊氏模量等性能彌補了鈦合金存在的不足和缺陷，使其成為新型的生物醫(yī)用材料提供了可能。 因此，本課題通過運用相圖以及材料性能分析相結(jié)合的方法，對Zr-Si-RE(La、Er)合金體系進行分析，并對Zr-Si-Nb合金的性能進行研究。在Zr-Si-RE(RE=La,Er)三元體系中，得到如下結(jié)果：它們分別包含了14個單相區(qū)，25個兩相區(qū)，12個三相區(qū)以及13個單相區(qū)，23個兩相區(qū)，以及11個三相區(qū)。此外，在當前的工作中，Zr-Si-RE(La,Er)三元體系也未發(fā)現(xiàn)三元化合物的存在。在Zr-Si合金中，通過Nb元素的添加，獲得了良好的微觀組織和卓越的機械性能。合金樣品中最大的抗壓強度可達1189.30Mpa，最高的屈服強度達850.25 MPa，彈性能力為5.001 MJ/m3-12.01 MJ/m3，楊氏模量在25.08 GPa-29.63 GPa的范圍內(nèi)。與鈦合金相比，這些合金試樣具備了較高的強度和低彈性模量，而且合金元素與人體的相容性良好，因此可望作為新型生物醫(yī)用材料獲得應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)為設(shè)計和研發(fā)新的多元鋯合金體系提供所需的基本信息。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計多種新型的鋯合金體系并系統(tǒng)地研究其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及生物相容性，通過組織模擬實驗探討鋯合金在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景，以期研究出適合醫(yī)用的鋯合金體系，使鋯合金替代或部分替代鈦合金在在人體植入醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用成為可能。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 為彌補當前鈦合金在醫(yī)用方面存在的自身強度和耐磨損性較差，而且楊氏模量與人體相差較大，部分合金添加元素對人體有毒等和缺陷。結(jié)合鋯合金具有比鈦合金更優(yōu)良的抗腐蝕性、生物相容性以及更接近人體骨骼的楊氏模量等各項性能。通過對生物醫(yī)用Zr-Si體系合金相圖、微觀結(jié)構(gòu)與性能進行研究，為鋯合金在醫(yī)學(xué)上的醫(yī)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計和研究多種新型的鋯合金體系，使鋯合金在人體植入醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用成為可能。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 1. 本作品選擇用鋯作為合金基體來開發(fā)新型的醫(yī)用金屬生物材料，為新型硬組織替代材料的設(shè)計提供了一個新的思路。 2. 多組元鋯合金的結(jié)構(gòu)和性能研究不足，本作品關(guān)于Zr–Si–RE(La、Er) 三元系合金相圖、固溶度、以及稀土元素微合金化作用的研究數(shù)據(jù)將豐富相關(guān)材料的數(shù)據(jù)庫。 3. 本項目緊密結(jié)合我國和廣西豐富的有色金屬和稀土資源優(yōu)勢，對開發(fā)具有我國特色的新型生物醫(yī)用金屬材料具有重要的意義。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 作品的實際應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義可以概括如下： （1）對Zr–Si–RE(La、Er) 三元體系相圖的研究，為生物醫(yī)用新型多元鋯合金體系的設(shè)計和制備以及提供了必要信息。 （2）作品通過改進微觀組織來優(yōu)化的鋯合金的性能，研究數(shù)據(jù)將豐富相關(guān)材料的數(shù)據(jù)庫并為實現(xiàn)鋯合金的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用指明了方向。 （3）作品對提高我國醫(yī)療研究水品，開發(fā)具有我國特色的新型生物醫(yī)用金屬材料具有重要的理論和實際意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本論文著重研究了新型生物醫(yī)用材料Zr-Si體系合金，采用平衡合金法測定了Zr-Si-RE(RE=La,Er)在773 K下的等溫截面相圖。同時，通過添加Nb合金元素，研究其對Zr-Si共晶合金的影響，探討其合金化處理后微觀組織及力學(xué)性能的變化。 在Zr-Si-RE(RE=La,Er)三元體系中，得到如下結(jié)果：它們分別包含了14個單相區(qū)，25個兩相區(qū)，12個三相區(qū)以及13個單相區(qū)，23個兩相區(qū)，以及11個三相區(qū)。此外，在當前的工作中，Zr-Si-RE(La,Er)三元體系也未發(fā)現(xiàn)三元化合物的存在。在Zr-Si合金中添加不同含量Nb元素合金樣品中最大的抗壓強度可達1189.30Mpa，最高的屈服強度達850.25 MPa，彈性能力為5.001 MJ/m3-12.01 MJ/m3，楊氏模量在25.08 GPa-29.63 GPa的范圍內(nèi)。這些合金試樣具備了較高的強度和低彈性模量，與人體的相容性良好，因此可望作為新型生物醫(yī)用材料獲得應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 新型生物醫(yī)用 Zr-Si-RE(RE=La,Er)三元體系 相圖 Zr-8.8Si-xNb合金 微觀結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能
獲獎情況
- Chunliu Li, Qingxiao Huang, Shaoqiang Lu, Jiameng Qiu, Yao Qu, Yongzhong Zhan,《Phase equilibria of Zr-Si-RE(La、Er) systems at 773 K》, Journal of Alloys and Compounds, 2011, in press.
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- [1] D. Zander, U. Koster, Mater. Sci. Eng., A. 375-377 (2004) 53-59. [2] J. She, Y. Zhan, C. Li, Mater. Sci. Eng., A. 527 (2010) 6454-6458. [3] R.N. Singh, S. Mukherjee, A. Gupta, S. Banerjee, J. Alloys Compd. 389 (2005) 102-112. [4] J. Canel, J. Zaman, J. Bettembourg, M.L. Flem, Int. J. Appl Cer. Technol. 3(1)(2006)23-31. [5] N.H. Salpadoru and H.M. Flower, Metall. Mater. Trans. A. 26 (1995) 243-257. [6]錢九紅.外科植入物用純鈦及其合金[J].稀有金屬, 25 (2001)303-306. [7]吳義舟,郭愛紅.生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用, 25 (2010) 81-85. [8]李獻軍,夏峰,劉志剛.工業(yè)純鋯產(chǎn)品的性能和應(yīng)用[J].粗細化工原料與中間體, 2 (2010) 3-6.
同類課題研究水平概述
- 生物材料的潛在市場和經(jīng)濟效益非常巨大。而鈦及鈦合金以其優(yōu)異的力學(xué)性能、抗腐蝕性能和良好的生物相容性以及低彈性模量在生物醫(yī)用上得到較為廣泛的應(yīng)用。但隨著醫(yī)療水品的發(fā)展，鈦合金存在的不足與缺陷不斷被認識，主要有： （1）目前應(yīng)用較廣泛Ti-6Al-4V合金中V元素對人體有一定毒害作用，而Al元素也可能會使人引發(fā)帕金森綜合癥； （2）鈦及鈦合金的硬度較低，抗剪切和耐磨損性較差，易被磨損破壞氧化層，承受能力有限； （3）鈦合金的楊氏模量和人體的相差較大，一般人體的彈性模量在15-30 GPa之間，而鈦合金卻在50-80 GPa之間，使鈦合金的使用壽命變短，從而促使新型生物合金材料的開發(fā)。 由于鈦合金存在以上缺陷和不足，所以開發(fā)新型生物醫(yī)用合金材料，替代現(xiàn)有的醫(yī)用鈦合金成為生物醫(yī)用材料的主要研究方向之一。而鋯及其合金除具備與鈦合金相同的優(yōu)越性能外，還具有比鈦合金更高的耐蝕性、強度、更低的楊氏模量，這為鋯合金替代鈦合金在醫(yī)用材料方面的應(yīng)用提供了可能。鋯合金獨特性能主要有： （1）鋯及其合金具有驚人的抗腐蝕性能，甚至超過鈮和鈦合金。鋯金屬材料還具備高抗磨性能，可以延長在人體中的使用壽命。 （2）Zr是中性元素，對人體細胞不會造成傷害，而且本課題研究的鋯合金中的Si、RE元素也是無毒元素或低細胞毒性元素。 （3）金屬鋯合金具有良好抗拉強度和塑性等力學(xué)性能，而且耐磨性比鈦合金要好，使其能夠承受生物體體重及運動造成的較大載荷。 （4）鋯本身相對鈦合金來說其楊氏模量與人體骨骼的更為接近，用鋯合金做金屬植入物材料可以減小其對人體組織造成的損壞程度。 雖然鋯合金具備了作為醫(yī)用植入材料具備的巨大潛能，但目前對鋯及其合金的研究主要都是集中在核工業(yè)以及化學(xué)工業(yè)方面，對鋯合金在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用幾乎一片空白，多數(shù)都是以鋯作為添加元素彌補鈦合金的不足。造成這一現(xiàn)象的主要原因是當前對鋯合金的研究和認識還不充分，缺乏相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。基于以上的情況，本課題將生物醫(yī)用鋯合金作為主要研究方向。通過運用相圖以及材料性能分析相結(jié)合的方法，對Zr-Si-RE(La、Er)合金體系進行分析，并對Zr-Si-Nb合金的性能進行研究。后期將在此基礎(chǔ)上，設(shè)計多種新型的鋯合金體系并系統(tǒng)地研究結(jié)構(gòu)和各項性能，通過組織模擬實驗探討鋯合金在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景，使鋯合金替代或部分替代鈦合金在在人體植入醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用成為可能。
