[發明專利]一種梯度異構鈦鉭層狀復合材料、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202110587400.7
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113183562B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 王珊;侯旭升;吳玉程;陳暢;劉蕊
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B32B15/01
• 分類號: B32B15/01;B32B33/00;B32B38/16;B32B38/18;B32B38/00;B32B37/06
• 代理公司: 合肥昊晟德專利代理事務所(普通合伙) 34153
• 代理人: 王林

本發明涉及生物醫用材料技術領域，具體涉及一種梯度異構鈦鉭層狀復合材料、制備方法及其應用，這種鈦鉭層狀復合材料，通過改變鈦層與鉭層的厚度比例，實現了層狀復合材料中的成分梯度分布，并可對其組織和性能進行調控，在復合材料中形成了多層次的具有不同結構的層狀組織，提高了材料的強度和韌性，降低了彈性模量。具體方法是，選擇不同厚度的鈦箔和鉭箔，交替疊置鈦層和鉭層，利用擴散連接法把鈦箔和不同厚度的鉭箔連接起來，制備了梯度異構鈦/鉭層狀復合材料，有效提高了鈦鉭合金綜合力學性能，同時延伸率可達28％同時，該制備方法可以用于調控層狀復合材料的組織和性能，改良和調控生物醫療領域用鈦鉭合金的性能具有指導意。

技術領域

本發明涉及生物醫用材料技術領域，具體涉及一種梯度異構鈦鉭層狀復合材料、制備方法及其應用。

背景技術

近年以來，研究人員發現，β型鈦合金的密度接近人體硬組織，且其生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優于不銹鋼和鈷合金，是最佳的金屬醫用材料。因此，研發高強度、高韌性、高耐蝕性、高耐磨性和適宜的彈性模量的β型鈦合金至關重要。鈦在882℃以上會發生同素異構轉變，由α-Ti轉變為β-Ti，而鉭作為β穩定元素，能無限固溶到β型鈦合金中，有利于降低β型鈦合金的彈性模量并提高強度。并且，鉭具有優良的化學穩定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物幾乎不被人體吸收和呈現毒性反應，可與其它金屬結合使用而不破壞其表面的氧化膜。臨床上，鉭也表現出良好的生物相容性，被用作接骨板、種植牙根、心血管支架及人工心臟等。因此，以鉭為β穩定元素開發的β型鈦鉭合金得到許多研究者關注。

但是，現有工藝所得的鈦鉭合金和鈦鉭復合材料，其彈性模量相比骨組織高很多，屈服能力不強，還存在高強度和高斷裂韌性無法兼容的問題，易發生組織與植入材料的脫落導致手術失敗。且存在制造工藝復雜問題，如多次熔煉均勻化等，提高了制造成本，影響其在醫療領域的廣泛應用。

鑒于上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐終于獲得了本發明。

發明內容

本發明的目的在于解決鈦鉭合金的彈性模量相比骨組織高很多，高強度和高斷裂韌性無法兼容、制造工藝復雜和制造成本高等問題，提供了一種梯度異構鈦鉭層狀復合材料、制備方法及其應用。

為了實現上述目的，本發明公開了一種梯度異構鈦鉭層狀復合材料，所述層狀復合材料為由鈦層和鉭層間隔排布而成的對稱層狀組織，對稱層中心為鈦層，其他層厚度及位置關于對稱層中心對稱設置，所述鈦層和鉭層均由軋制態金屬薄片制成，所述鈦層厚度均相同，對稱的兩層鉭層為鉭層組，所述鉭層組設有多個，鉭層組的厚度值至少有兩種。

所述鈦層厚度為0.1mm；所述鉭層厚度值為0.1mm、0.05mm、0.03mm中任意一種。

所述層狀復合材料以第13層0.1mm鈦為對稱層中心，其他層厚度及結構設計關于第13層0.1mm鈦對稱，從第13層0.1mm鈦由內到外依次疊置0.1mm鈦/0.03mm鉭/0.1mm鈦/0.1mm鉭/0.1mm鈦/0.05mm鉭/0.1mm鈦/0.03mm鉭/0.1mm鈦/0.05mm鉭/0.1mm鈦/0.1mm鉭/0.1mm鈦。

所述層軋制金屬薄片經過SPS高溫等離子燒結后，形成富鈦層、富鉭層和界面件鈦鉭固溶體。

本發明還公開了一種梯度異構鈦鉭層狀復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：表面處理：鈦箔和鉭箔裁剪成片，將表面附著的氧化物打磨后再放在無水乙醇溶液中超聲震蕩，清洗去除表面附著的灰塵等雜質后干燥，干燥后保存于密封袋中；

S2：裝模：將經步驟S1表面處理后獲得金屬鈦箔、金屬鉭箔按要求依次層疊放置形成復合層狀結構，裝填進石墨模具中獲得待燒結體；

S3：燒結：在真空狀態下對步驟S2獲得的待燒結體進行放電等離子燒結；

S4：脫模：將燒結體從石墨模具中取出，得到梯度異構鈦鉭層狀復合材料。