基本信息
- 项目名称：
- 纳米氧化铝/羟基磷灰石复合生物陶瓷的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 以纳米Al2O3为成核基体，以Ca(NO3)2•4H2O和(NH4)2HPO4为原料通过超声原位复合水热合成法制备纳米氧化铝/羟基磷灰石复合粉体。对制备的复合粉体进行XRD、FTIR、抗弯曲强度的表征，并得出最终结论。
- 详细介绍：
- 本研究首先以AlCl3和NH4HCO3为原料采用超声波辅助化学沉淀法制备了Al2O3前躯体,在500℃，1000℃，1200℃下煅烧，得到不同晶系的纳米Al2O3。通过XRD表征分析各样品可知经500℃热处理的样品无明显而尖锐Al2O3的特征衍射峰出现；经1000℃处理的样品为单相的δ-Al2O3 (属四方晶系)；经1200℃处理的样品衍射峰形尖锐且对称性好，表明经1200℃热处理的样品粒度大，结晶更完善，其特征峰与α-Al2O3粉末衍射标准卡片(JCPDSFile No.10-173)相比能有很好的吻合，所得α-Al2O3粉体粒径为23.33nm。 α-Al2O3属三方晶系,此相在铝的各氧化物中最稳定,具有熔点高、硬度大、耐磨性好、机械强度高、电绝缘性好、耐腐蚀等性能，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作为复合陶瓷增强相。 以α-Al2O3（改变其含量分别为0g、0.2g、0.4g、0.8g）为成核基体，以Ca(NO3)2•4H2O和(NH4)2HPO4为原料采用超声波原位经140℃水热合成8个小时制备了纳米Al2O3/HAP复合粉体。将不同的复合粉体采用FIR、XRD表征分析样品的物相结构及计算相应晶粒尺寸、透射电镜观察晶体表面形貌特征，通过数字显微硬度计测量各陶瓷样品的硬度，采用NYL-500A型压力试验机高压成型，在1300℃煅烧后用SJ-1A三轴剪力仪测试复合陶瓷的抗弯强度。结果表明：随着纳米Al2O3含量的增加，复合粉体中HAP的晶粒尺寸(以c轴为例)减小，导致相应陶瓷的硬度增大。 经过透射电镜观察分析可知复合粉体中HAP晶粒沿c轴和a轴方向的尺寸分别为25.2nm和13.3nm，属六方晶系复合材料。经过X射线分析知两相复合状况良好，颗粒分散性较好，合成的纳米羟基磷灰石晶体的组成、结构、结晶度和形貌都与自然骨磷灰石晶体十分类似；纳米Al2O3粒子的加入可抑制复合粉体中HAP晶粒长大并促使其晶粒大小均匀化，从而改善了复合陶瓷的抗弯曲强度。结果表明：随着纳米氧化铝含量的增加，复合陶瓷的抗弯曲强度相对于HAP陶瓷相应的加强。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 1、探究纳米氧化铝/羟基磷灰石复合生物陶瓷的制备方法及其性能。 2、进一步改善陶瓷材料的断裂韧性和强度。 3、扩充对纳米HAP的制备及在医学应用的研究。
科学性、先进性及独特之处
- 随着高技术的飞快发展及对新型材料的需求，特别是人的健康科学对新材料的需求使仿生材料的研究越来越受到材料科学家们的重视，因此，发展纳米复合材料的研究是刻不容缓的重要任务。 目前关于纳米氧化铝/羟基磷灰石复合生物陶瓷的制备鲜有报道。本文将采用超声波辅助原位水热合成的方法在不同条件下制备纳米氧化铝/羟基磷灰石的复合生物陶瓷材料。
应用价值和现实意义
- 生物材料工业的全球年营业额约为120亿美元，其中硬组织的修复和替换占了23亿，据不完全统计，在世界范围内，已有50万例全髓置换，并且正以每年近10万例的数目增长，市场需求量在不断增多。 生物陶瓷类符合材料的应用范围也正在逐步扩大，现可应用于人工骨、人工关节、人工齿根骨填充材料、骨置换材料、骨结合材料，还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测等。
学术论文摘要
- 本研究以AlCl3和NH4HCO3为原料通过超声辅助化学沉淀法合成纳米Al2O3,然后再以纳米Al2O3为成核基体，以Ca(NO3)2•4H2O和(NH4)2HPO4为原料通过超声原位复合水热合成法分别合成含0g、0.2g、0.4g、0.8g纳米Al2O3的纳米氧化铝/羟基磷灰石复合粉体。对制备的复合粉体进行了XRD、FTIR、抗弯曲强度的表征。分析了氧化铝含量对复合粉体的影响。结果表明：纳米氧化铝的加入抑制了HAP晶粒的长大，一定范围内氧化铝含量越高，复合陶瓷抗弯曲强度越大。
获奖情况
- 2009年 在中国民航大学被评为第四届“创新杯”课外学术作品一等奖
鉴定结果
- 复合粉体中HAP晶粒沿c轴和a轴方向的尺寸分别为25.2nm和13.3nm，说明纳米Al2O3粒子的加入可起到抑制HAP晶粒长大的作用。随着纳米氧化铝含量的增加，复合陶瓷抗弯强度明显增强。
参考文献
- [1] 李慧韫,张天胜,杨南.纳米氧化铝的制备方法及应用[J].天津轻工业学院学报,2003,18(4):34-37 [2]陈玉柏,范景莲,田家敏,银瑞民.Al2O3 基纳米复合陶瓷的研究最新进展[J].粉末冶金技术,2007; No.6 [3] 蔡爱兰.陶瓷纳米复合材料[M].福建建材,2005(87):32-34 [4] 周恒，李振铎，李敦钫,等.纳米羟基磷灰石晶体的制备及表征[M].有色金属(冶炼部分)，2006年增刊:12-14 [5] 于方丽，周永强，张卫珂,等.羟基磷灰石生物材料的研究现状[J].制备及发展前景，2006(2):7-12 [6] J. R. Dı´az-Estrada,E. Camps,L. Escobar-Alarco´n. Mechanical improvement of hydroxyapatite by TiOx nanoparticles deposition. J Mater Sci , 2007(42):1360-1368
同类课题研究水平概述
- 目前有关羟基磷灰石陶瓷的研究虽然已近取得了很大的进展，但是单一组元的羟基磷灰石粉末由于烧结性能差，导致以单一的羟基磷灰石作为种植体材料时，其强度较低、韧性较差，分别为50~150MPa和1.0~1.2MPa•m1/2。力学性能的不足，使其难以承受负荷或冲击力，大大限制了其作为人体材料种植体的使用。为了提高羟基磷灰石陶瓷材料的机械力学性能，是这一材料能够在临床上推广使用，许多学者采用了不同的方法来增强羟基磷灰石陶瓷，希望能够得到高强度的羟基磷灰石。目前使用的方法都各有优缺。其中在高强度、高韧性的基材表面制作生物活性的羟基磷灰石涂层，将基体材料优良的力学性呢和羟基磷灰石的生物活性相结合，可以改变羟基磷灰石材料强度低、韧性差的缺点。 氧化铝陶瓷是目前世界上生产量最大、应用面广的工业陶瓷材料,它不仅作为电子工业中电路底材料、发动机零部件材料中广泛应用,而且作为高温、抗腐蚀、耐磨损的机械零部件材料取代金属合金也取得显著效果。氧化铝的显微组织通常为轴状晶粒,断裂韧性较低,为此,在氧化铝陶瓷基体中添加第二增强体(纤维、晶须和颗粒等)能显著提高材料的韧性。 目前, 关于Al2O3 陶瓷柱状晶的制备工艺的相关文献较少, 虽然在不同的工艺条件下都分别获得了相应的 Al2O3柱状晶形貌, 但对于形成机理尚无 有力的说明, 也无一致的柱状晶生长机理的解释。现有的添加剂种类繁多, 有时多种添加剂相互作用, 哪一种成分对生成柱状晶所起的作用很难判断, 并且试验的再现难度较大。如何通过调节工艺, 控制烧结温度及时间, 改变原料粉体粒度, 促进柱状晶的生长也是一个难点。因无有力的柱状晶生成机理作为制备工艺的指导, 使得柱状晶增韧氧化铝陶瓷的工艺制定难度较大。近几年, 由于柱状晶增韧 Al2O3 陶瓷的研究进步不大, 很多科技工作者开始从事其它领域的研究, 无疑也是一个不可忽视的问题, 那么该领域是否值得进一步研究, 是否还会有新的进步, 让我们拭目以待。
