Nd-YAG激光熔覆原位合成碳纳米管增强羟基磷灰石生物陶瓷涂层及理论研究

According to the different absorptivity of different materials towards Nd-YAG laser, the characteriation and merits of the laser cladding and rapid solidification technology, and the excellent mechnical properties of CNT and its strengthening and toughening in the composite materials; In the same time to avoid the thermal stress and the occurrence of the cracks, a gradient transition layer with a certain content Ti powders incorported is designed. With the cheap and abundant CaHPO4?2H2O and CaCO3 being the raw materials and the introduction of the CNT by wet ball milling, the CNT reinforced HAP bioceramic composite coating was in situ fabricated by Nd-YAG laser cladding. According to the phase formation and controlling, chemical and metallurgical bonding interface microstructure and strength, microstructure and mechanical properties, and in depth study of the biocompatibility, research on the composition of raw materials, correlation and effection law between bioceramic coating microstructure and performance reveals its inner mechanism and effect of law; laser cladding fabrication of bioceramic coating reaction mechanism and rapid solidification theory. This application has important theoretical significance and practical value, can not only promote the laser cladding fabrication CNT reinforced HAP coating application and theoretical research, but also can promote the system research on preparation, properties and mechanism of carbon nanotube composite biomaterial.

根据材料对Nd-YAG激光具有不同的吸收率；激光熔覆与快速凝固技术的特点；碳纳米管（CNT）优良的机械性能及其在复合材料中的增强补韧特点； 同时为了消除激光熔覆过程中产生的热应力，防止裂纹的出现，设计了添加一定含量Ti粉末的梯度熔覆层，以价格便宜、方便易得的CaHPO4.2H2O与CaCO3为原材料，通过湿法球磨引进CNT，利用Nd-YAG激光熔覆技术原位合成CNT增强的HAP生物陶瓷涂层。研究原材料成分、生物陶瓷涂层组织结构与性能的相关性与影响规律，针对生物陶瓷涂层物相形成与控制、化学冶金结合界面组织与强度、组织结构与力学性能、生物相容性等进行深入研究，揭示其内在机理；探讨激光熔覆制备生物陶瓷涂层的反应机理与快速凝固理论。本申请具有重要的理论研究意义与实际应用价值, 不仅可以推动激光熔覆制备CNT增强HAP涂层的应用与理论研究，而且可以促进CNT生物材料在制备、性能与机理研究上的系统性。

生物陶瓷材料具有优良的生物相容性与骨诱导性，但强度较低，韧性较差，力学性能的不足限制了其在人体硬组织领域的应用。医用金属材料虽然具有良好的物理机械性能，但其生物相容性较差，在人体内的腐蚀和向肌体游离而诱发炎症限制了它的应用。在医用金属种植体表面形成 生物相容性好的生物陶瓷涂层可以综合金属材料及生物陶瓷材料各自的优越性。碳纳米管(CNT)具有独特的力学、电学及物理化学特性, 成为世界范围内的研究热点。若以其他材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳能力，给复合材料的性能带来极大的改善。.激光熔覆快速凝固条件下制备的生物陶瓷涂层组织与活体硬组织的近似程度亦较高，提高了生物陶瓷涂层的生物相容性。对碳纳米管而言，由于碳纳米管具有理想的机械性能如强度和模量, 并且在纳米尺度下它的结构与自然骨中羟基磷灰石晶体相似，碳纳米管的添加还能转移并消除涂层制作过程中产生的应力，提高生物陶瓷复合涂层的强度与韧性。.碳纳米管应用的最关键性问题就是如何使其均匀的分散在基体当中，并使其与基体间形成稳定而牢靠的界面结合，从而最大限度的提高其纳米尺度效应和它本身的特性。目前合成的碳纳米管含有大量的催化剂杂质,这些杂质不仅可能影响碳纳米管的物理化学性质,还可能引起生物学上的毒性。因此,碳纳米管在使用之前必须先进行纯化处理。本课题完成过程中纯化碳纳米管的步骤为：首先选用浓硝酸和混酸纯化碳纳米管，再采用高温煅烧法纯化酸化后的碳纳米管。碳纳米管的分散过程中首先采用超声波预分散，采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）非离子型表面活性剂与十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）阳离子表面活性剂作为本项目使用的碳纳米管分散剂。研究结果表明湿法球磨过程中二者都具有较好的分散性，但十六烷基三甲基溴化铵对碳纳米管具有更好的分散性。.在钛合金上通过预置过渡涂层原材料制备梯度生物陶瓷涂层，利用Nd-YAG激光熔覆技术在预置涂层表面通过快速凝固过程原位合成制备碳纳米管增强的生物陶瓷复合涂层，随着激光加工工艺参数的改变，所制备的涂层的组织与物相发生明显改变。在合适工艺参数下涂层物相为羟基磷灰石、焦磷酸钙、磷酸钙等生物陶瓷涂层，碳纳米管较为均匀的分布在涂层组织中，涂层的显微硬度提高150%。在一定工艺范围内，激光熔覆工艺参数改变时，生物陶瓷涂层中磷酸钙生物陶瓷的含量发生明显变化。