基本信息
- 项目名称：
- 生物医用Zr-Si体系合金相图、微观结构与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 为弥补钛合金在医用上存在的不足和缺陷，充分利用锆合金具备的各项优越性能，实现锆合金替代或部分替代钛合金在生物医用植入材料上的应用。本课题通过运用相图以及材料性能分析相结合的方法，对Zr-Si-RE(La、Er)合金体系进行分析，并对Zr-Si-Nb合金的性能进行研究。并在此基础上设计和研究多种新型锆合金，以期研究出适合医用的锆合金体系。
- 详细介绍：
- 当前，钛及钛合金因具有的良好的生物相容性、耐蚀性等力学性能而在医用植入材料上得到广泛应用。但是随着医学水平的不断发展，其自身存在的缺点和不足也日渐显现出来，研究和开发新的更能适合人类需求的生物医用材料成为了当今医学领域的一个主要任务和难题。而锆合金不仅具备了钛合金作为医用植入材料所具备的各种优越性能，而且还具有比钛合金更高的耐蚀性、强度、更低的杨氏模量等性能弥补了钛合金存在的不足和缺陷，使其成为新型的生物医用材料提供了可能。 因此，本课题通过运用相图以及材料性能分析相结合的方法，对Zr-Si-RE(La、Er)合金体系进行分析，并对Zr-Si-Nb合金的性能进行研究。在Zr-Si-RE(RE=La,Er)三元体系中，得到如下结果：它们分别包含了14个单相区，25个两相区，12个三相区以及13个单相区，23个两相区，以及11个三相区。此外，在当前的工作中，Zr-Si-RE(La,Er)三元体系也未发现三元化合物的存在。在Zr-Si合金中，通过Nb元素的添加，获得了良好的微观组织和卓越的机械性能。合金样品中最大的抗压强度可达1189.30Mpa，最高的屈服强度达850.25 MPa，弹性能力为5.001 MJ/m3-12.01 MJ/m3，杨氏模量在25.08 GPa-29.63 GPa的范围内。与钛合金相比，这些合金试样具备了较高的强度和低弹性模量，而且合金元素与人体的相容性良好，因此可望作为新型生物医用材料获得应用。这些数据为设计和研发新的多元锆合金体系提供所需的基本信息。在此基础上，设计多种新型的锆合金体系并系统地研究其微观结构、力学性能及生物相容性，通过组织模拟实验探讨锆合金在医学上的应用前景，以期研究出适合医用的锆合金体系，使锆合金替代或部分替代钛合金在在人体植入医学上的应用成为可能。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为弥补当前钛合金在医用方面存在的自身强度和耐磨损性较差，而且杨氏模量与人体相差较大，部分合金添加元素对人体有毒等和缺陷。结合锆合金具有比钛合金更优良的抗腐蚀性、生物相容性以及更接近人体骨骼的杨氏模量等各项性能。通过对生物医用Zr-Si体系合金相图、微观结构与性能进行研究，为锆合金在医学上的医用提供数据基础和科学依据。在此基础上设计和研究多种新型的锆合金体系，使锆合金在人体植入医学上的应用成为可能。
科学性、先进性及独特之处
- 1. 本作品选择用锆作为合金基体来开发新型的医用金属生物材料，为新型硬组织替代材料的设计提供了一个新的思路。 2. 多组元锆合金的结构和性能研究不足，本作品关于Zr–Si–RE(La、Er) 三元系合金相图、固溶度、以及稀土元素微合金化作用的研究数据将丰富相关材料的数据库。 3. 本项目紧密结合我国和广西丰富的有色金属和稀土资源优势，对开发具有我国特色的新型生物医用金属材料具有重要的意义。
应用价值和现实意义
- 作品的实际应用价值和现实意义可以概括如下： （1）对Zr–Si–RE(La、Er) 三元体系相图的研究，为生物医用新型多元锆合金体系的设计和制备以及提供了必要信息。 （2）作品通过改进微观组织来优化的锆合金的性能，研究数据将丰富相关材料的数据库并为实现锆合金的生物医学应用指明了方向。 （3）作品对提高我国医疗研究水品，开发具有我国特色的新型生物医用金属材料具有重要的理论和实际意义。
学术论文摘要
- 本论文着重研究了新型生物医用材料Zr-Si体系合金，采用平衡合金法测定了Zr-Si-RE(RE=La,Er)在773 K下的等温截面相图。同时，通过添加Nb合金元素，研究其对Zr-Si共晶合金的影响，探讨其合金化处理后微观组织及力学性能的变化。 在Zr-Si-RE(RE=La,Er)三元体系中，得到如下结果：它们分别包含了14个单相区，25个两相区，12个三相区以及13个单相区，23个两相区，以及11个三相区。此外，在当前的工作中，Zr-Si-RE(La,Er)三元体系也未发现三元化合物的存在。在Zr-Si合金中添加不同含量Nb元素合金样品中最大的抗压强度可达1189.30Mpa，最高的屈服强度达850.25 MPa，弹性能力为5.001 MJ/m3-12.01 MJ/m3，杨氏模量在25.08 GPa-29.63 GPa的范围内。这些合金试样具备了较高的强度和低弹性模量，与人体的相容性良好，因此可望作为新型生物医用材料获得应用。 关键词 新型生物医用 Zr-Si-RE(RE=La,Er)三元体系 相图 Zr-8.8Si-xNb合金 微观结构 力学性能
获奖情况
- 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.
鉴定结果
- 无
参考文献
- [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]钱九红.外科植入物用纯钛及其合金[J].稀有金属, 25 (2001)303-306. [7]吴义舟,郭爱红.生物医用钛合金发展和研究现状[J].材料开发与应用, 25 (2010) 81-85. [8]李献军,夏峰,刘志刚.工业纯锆产品的性能和应用[J].粗细化工原料与中间体, 2 (2010) 3-6.
同类课题研究水平概述
- 生物材料的潜在市场和经济效益非常巨大。而钛及钛合金以其优异的力学性能、抗腐蚀性能和良好的生物相容性以及低弹性模量在生物医用上得到较为广泛的应用。但随着医疗水品的发展，钛合金存在的不足与缺陷不断被认识，主要有： （1）目前应用较广泛Ti-6Al-4V合金中V元素对人体有一定毒害作用，而Al元素也可能会使人引发帕金森综合症； （2）钛及钛合金的硬度较低，抗剪切和耐磨损性较差，易被磨损破坏氧化层，承受能力有限； （3）钛合金的杨氏模量和人体的相差较大，一般人体的弹性模量在15-30 GPa之间，而钛合金却在50-80 GPa之间，使钛合金的使用寿命变短，从而促使新型生物合金材料的开发。 由于钛合金存在以上缺陷和不足，所以开发新型生物医用合金材料，替代现有的医用钛合金成为生物医用材料的主要研究方向之一。而锆及其合金除具备与钛合金相同的优越性能外，还具有比钛合金更高的耐蚀性、强度、更低的杨氏模量，这为锆合金替代钛合金在医用材料方面的应用提供了可能。锆合金独特性能主要有： （1）锆及其合金具有惊人的抗腐蚀性能，甚至超过铌和钛合金。锆金属材料还具备高抗磨性能，可以延长在人体中的使用寿命。 （2）Zr是中性元素，对人体细胞不会造成伤害，而且本课题研究的锆合金中的Si、RE元素也是无毒元素或低细胞毒性元素。 （3）金属锆合金具有良好抗拉强度和塑性等力学性能，而且耐磨性比钛合金要好，使其能够承受生物体体重及运动造成的较大载荷。 （4）锆本身相对钛合金来说其杨氏模量与人体骨骼的更为接近，用锆合金做金属植入物材料可以减小其对人体组织造成的损坏程度。 虽然锆合金具备了作为医用植入材料具备的巨大潜能，但目前对锆及其合金的研究主要都是集中在核工业以及化学工业方面，对锆合金在医学方面的应用几乎一片空白，多数都是以锆作为添加元素弥补钛合金的不足。造成这一现象的主要原因是当前对锆合金的研究和认识还不充分，缺乏相关的实验数据。基于以上的情况，本课题将生物医用锆合金作为主要研究方向。通过运用相图以及材料性能分析相结合的方法，对Zr-Si-RE(La、Er)合金体系进行分析，并对Zr-Si-Nb合金的性能进行研究。后期将在此基础上，设计多种新型的锆合金体系并系统地研究结构和各项性能，通过组织模拟实验探讨锆合金在医学上的应用前景，使锆合金替代或部分替代钛合金在在人体植入医学上的应用成为可能。
