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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 納米氧化鋁/羥基磷灰石復(fù)合生物陶瓷的制備
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 以納米Al2O3為成核基體，以Ca(NO3)2?4H2O和(NH4)2HPO4為原料通過(guò)超聲原位復(fù)合水熱合成法制備納米氧化鋁/羥基磷灰石復(fù)合粉體。對(duì)制備的復(fù)合粉體進(jìn)行XRD、FTIR、抗彎曲強(qiáng)度的表征，并得出最終結(jié)論。
- 詳細(xì)介紹：
- 本研究首先以AlCl3和NH4HCO3為原料采用超聲波輔助化學(xué)沉淀法制備了Al2O3前軀體,在500℃，1000℃，1200℃下煅燒，得到不同晶系的納米Al2O3。通過(guò)XRD表征分析各樣品可知經(jīng)500℃熱處理的樣品無(wú)明顯而尖銳Al2O3的特征衍射峰出現(xiàn)；經(jīng)1000℃處理的樣品為單相的δ-Al2O3 (屬四方晶系)；經(jīng)1200℃處理的樣品衍射峰形尖銳且對(duì)稱性好，表明經(jīng)1200℃熱處理的樣品粒度大，結(jié)晶更完善，其特征峰與α-Al2O3粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDSFile No.10-173)相比能有很好的吻合，所得α-Al2O3粉體粒徑為23.33nm。 α-Al2O3屬三方晶系,此相在鋁的各氧化物中最穩(wěn)定,具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐磨性好、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性好、耐腐蝕等性能，是制造陶瓷、磨料、磨具及耐火材料的理想原料，因此采用α-Al2O3作為復(fù)合陶瓷增強(qiáng)相。 以α-Al2O3（改變其含量分別為0g、0.2g、0.4g、0.8g）為成核基體，以Ca(NO3)2?4H2O和(NH4)2HPO4為原料采用超聲波原位經(jīng)140℃水熱合成8個(gè)小時(shí)制備了納米Al2O3/HAP復(fù)合粉體。將不同的復(fù)合粉體采用FIR、XRD表征分析樣品的物相結(jié)構(gòu)及計(jì)算相應(yīng)晶粒尺寸、透射電鏡觀察晶體表面形貌特征，通過(guò)數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量各陶瓷樣品的硬度，采用NYL-500A型壓力試驗(yàn)機(jī)高壓成型，在1300℃煅燒后用SJ-1A三軸剪力儀測(cè)試復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度。結(jié)果表明：隨著納米Al2O3含量的增加，復(fù)合粉體中HAP的晶粒尺寸(以c軸為例)減小，導(dǎo)致相應(yīng)陶瓷的硬度增大。 經(jīng)過(guò)透射電鏡觀察分析可知復(fù)合粉體中HAP晶粒沿c軸和a軸方向的尺寸分別為25.2nm和13.3nm，屬六方晶系復(fù)合材料。經(jīng)過(guò)X射線分析知兩相復(fù)合狀況良好，顆粒分散性較好，合成的納米羥基磷灰石晶體的組成、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和形貌都與自然骨磷灰石晶體十分類似；納米Al2O3粒子的加入可抑制復(fù)合粉體中HAP晶粒長(zhǎng)大并促使其晶粒大小均勻化，從而改善了復(fù)合陶瓷的抗彎曲強(qiáng)度。結(jié)果表明：隨著納米氧化鋁含量的增加，復(fù)合陶瓷的抗彎曲強(qiáng)度相對(duì)于HAP陶瓷相應(yīng)的加強(qiáng)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 1、探究納米氧化鋁/羥基磷灰石復(fù)合生物陶瓷的制備方法及其性能。 2、進(jìn)一步改善陶瓷材料的斷裂韌性和強(qiáng)度。 3、擴(kuò)充對(duì)納米HAP的制備及在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 隨著高技術(shù)的飛快發(fā)展及對(duì)新型材料的需求，特別是人的健康科學(xué)對(duì)新材料的需求使仿生材料的研究越來(lái)越受到材料科學(xué)家們的重視，因此，發(fā)展納米復(fù)合材料的研究是刻不容緩的重要任務(wù)。 目前關(guān)于納米氧化鋁/羥基磷灰石復(fù)合生物陶瓷的制備鮮有報(bào)道。本文將采用超聲波輔助原位水熱合成的方法在不同條件下制備納米氧化鋁/羥基磷灰石的復(fù)合生物陶瓷材料。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 生物材料工業(yè)的全球年?duì)I業(yè)額約為120億美元，其中硬組織的修復(fù)和替換占了23億，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)，已有50萬(wàn)例全髓置換，并且正以每年近10萬(wàn)例的數(shù)目增長(zhǎng)，市場(chǎng)需求量在不斷增多。 生物陶瓷類符合材料的應(yīng)用范圍也正在逐步擴(kuò)大，現(xiàn)可應(yīng)用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒根骨填充材料、骨置換材料、骨結(jié)合材料，還可應(yīng)用于人造心臟瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工氣管，經(jīng)皮引線可應(yīng)用于體內(nèi)醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)等。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本研究以AlCl3和NH4HCO3為原料通過(guò)超聲輔助化學(xué)沉淀法合成納米Al2O3,然后再以納米Al2O3為成核基體，以Ca(NO3)2?4H2O和(NH4)2HPO4為原料通過(guò)超聲原位復(fù)合水熱合成法分別合成含0g、0.2g、0.4g、0.8g納米Al2O3的納米氧化鋁/羥基磷灰石復(fù)合粉體。對(duì)制備的復(fù)合粉體進(jìn)行了XRD、FTIR、抗彎曲強(qiáng)度的表征。分析了氧化鋁含量對(duì)復(fù)合粉體的影響。結(jié)果表明：納米氧化鋁的加入抑制了HAP晶粒的長(zhǎng)大，一定范圍內(nèi)氧化鋁含量越高，復(fù)合陶瓷抗彎曲強(qiáng)度越大。
獲獎(jiǎng)情況
- 2009年 在中國(guó)民航大學(xué)被評(píng)為第四屆“創(chuàng)新杯”課外學(xué)術(shù)作品一等獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 復(fù)合粉體中HAP晶粒沿c軸和a軸方向的尺寸分別為25.2nm和13.3nm，說(shuō)明納米Al2O3粒子的加入可起到抑制HAP晶粒長(zhǎng)大的作用。隨著納米氧化鋁含量的增加，復(fù)合陶瓷抗彎強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
- [1] 李慧韞,張?zhí)靹?楊南.納米氧化鋁的制備方法及應(yīng)用[J].天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(4):34-37 [2]陳玉柏,范景蓮,田家敏,銀瑞民.Al2O3 基納米復(fù)合陶瓷的研究最新進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù),2007; No.6 [3] 蔡愛蘭.陶瓷納米復(fù)合材料[M].福建建材,2005(87):32-34 [4] 周恒，李振鐸，李敦鈁,等.納米羥基磷灰石晶體的制備及表征[M].有色金屬(冶煉部分)，2006年增刊:12-14 [5] 于方麗，周永強(qiáng)，張衛(wèi)珂,等.羥基磷灰石生物材料的研究現(xiàn)狀[J].制備及發(fā)展前景，2006(2):7-12 [6] J. R. D?′az-Estrada,E. Camps,L. Escobar-Alarco′n. Mechanical improvement of hydroxyapatite by TiOx nanoparticles deposition. J Mater Sci , 2007(42):1360-1368
同類課題研究水平概述
- 目前有關(guān)羥基磷灰石陶瓷的研究雖然已近取得了很大的進(jìn)展，但是單一組元的羥基磷灰石粉末由于燒結(jié)性能差，導(dǎo)致以單一的羥基磷灰石作為種植體材料時(shí)，其強(qiáng)度較低、韌性較差，分別為50~150MPa和1.0~1.2MPa?m1/2。力學(xué)性能的不足，使其難以承受負(fù)荷或沖擊力，大大限制了其作為人體材料種植體的使用。為了提高羥基磷灰石陶瓷材料的機(jī)械力學(xué)性能，是這一材料能夠在臨床上推廣使用，許多學(xué)者采用了不同的方法來(lái)增強(qiáng)羥基磷灰石陶瓷，希望能夠得到高強(qiáng)度的羥基磷灰石。目前使用的方法都各有優(yōu)缺。其中在高強(qiáng)度、高韌性的基材表面制作生物活性的羥基磷灰石涂層，將基體材料優(yōu)良的力學(xué)性呢和羥基磷灰石的生物活性相結(jié)合，可以改變羥基磷灰石材料強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)。 氧化鋁陶瓷是目前世界上生產(chǎn)量最大、應(yīng)用面廣的工業(yè)陶瓷材料,它不僅作為電子工業(yè)中電路底材料、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材料中廣泛應(yīng)用,而且作為高溫、抗腐蝕、耐磨損的機(jī)械零部件材料取代金屬合金也取得顯著效果。氧化鋁的顯微組織通常為軸狀晶粒,斷裂韌性較低,為此,在氧化鋁陶瓷基體中添加第二增強(qiáng)體(纖維、晶須和顆粒等)能顯著提高材料的韌性。 目前, 關(guān)于Al2O3 陶瓷柱狀晶的制備工藝的相關(guān)文獻(xiàn)較少, 雖然在不同的工藝條件下都分別獲得了相應(yīng)的 Al2O3柱狀晶形貌, 但對(duì)于形成機(jī)理尚無(wú) 有力的說(shuō)明, 也無(wú)一致的柱狀晶生長(zhǎng)機(jī)理的解釋?，F(xiàn)有的添加劑種類繁多, 有時(shí)多種添加劑相互作用, 哪一種成分對(duì)生成柱狀晶所起的作用很難判斷, 并且試驗(yàn)的再現(xiàn)難度較大。如何通過(guò)調(diào)節(jié)工藝, 控制燒結(jié)溫度及時(shí)間, 改變?cè)戏垠w粒度, 促進(jìn)柱狀晶的生長(zhǎng)也是一個(gè)難點(diǎn)。因無(wú)有力的柱狀晶生成機(jī)理作為制備工藝的指導(dǎo), 使得柱狀晶增韌氧化鋁陶瓷的工藝制定難度較大。近幾年, 由于柱狀晶增韌 Al2O3 陶瓷的研究進(jìn)步不大, 很多科技工作者開始從事其它領(lǐng)域的研究, 無(wú)疑也是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題, 那么該領(lǐng)域是否值得進(jìn)一步研究, 是否還會(huì)有新的進(jìn)步, 讓我們拭目以待。
