新型钴铬银超细晶合金的制备及在牙科领域应用研究

PREPARATION OF A NOVEL ULTRAFINE GRAINED COBALT-BASED ALLOY FOR BIOMEDICAL APPLICATION

蒋飞龙

11749162

硕士

材料工程

任富增

2019-06-01

2019-06-28

哈尔滨工业大学

深圳

钴基合金由于具有高强度、高硬度、良好的耐磨性能和耐腐蚀性能等，在众多的金属生物材料中，被大量报道适合作为牙科和骨科植入材料。然而目前医用钴合金中的镍等离子的释放会导致人体的过敏反应、致癌等，合金的强度和耐磨性能有待进一步提高。具有抗药性的超级细菌的出现使得具有抗菌功能的新型合金成为发展方向，而钴合金在这方面的研究较少。纳米晶/超细晶结构金属与传统的大晶粒尺寸的金属相比具有不寻常的物理和机械性能，因此在生物医学领域具有潜在的应用前景，但有关生物医用纳米晶/超细晶钴合金尚缺乏系统深入研究。因此本论文采用高能球磨机械合金化(HEBM)与放电等离子体烧结(SPS)工艺相结合，并通过控制烧结参数制备双相Co-30 at% Cr-5 at% Ag超细晶合金。采用X射线衍射分析、扫描电子显微镜与透射电子显微镜对合金微观结构进行表征；通过显微维氏硬度测试、单轴压缩实验、销盘式干滑动摩擦磨损实验、电化学实验等研究合金的硬度、力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能等；此外通过抗菌实验、体外细胞相容性实验评价该合金在生物医学领域应用的可行性。主要取得以下研究成果：(1) 通过将Co、Cr金属粉末球磨形成单相固溶体，后加入Ag球磨的特殊球磨工艺制备Co-30Cr-5Ag预合金粉末，随后使用SPS将预合金粉末烧结成块体合金。(2) 阿基米德法测得合金致密度超过97%。微观结构表征表明，合金平均晶粒尺寸为167 nm，基体为ε-Co并有弥散分布的σ析出相(平均尺寸为23 nm)和Ag颗粒(平均尺寸为72 nm)。单轴压缩实验表明合金屈服强度高达2.09 GPa、抗压强度达到2.29 GPa。在室温、滑动速度为0.1 m/s条件下，载荷分别为5 N和10 N，合金样品与氧化铝盘对磨的磨损率均为10-5 mm3/(N·m)数量级，表明合金具有优良的耐磨性能。(3) 电化学腐蚀试验表明合金在37 °C、模拟人工唾液条件下有明显的钝化区，而且具有较小的自腐蚀电流密度(0.188 μA/cm2)，具有良好的耐腐蚀性能。通过平板涂布计数法测定合金对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)两种细菌的抗菌性能，结果表明：相比于Co-30Cr合金，Co-30Cr-5Ag合金对E. coli的抗菌率达到90.5%，对S. aureus的抗菌率达到72.6%，具有良好的抗菌性能。通过小鼠成骨细胞(MC3T3-E1)与合金共培养的细胞增殖与细胞黏附实验表征合金的生物相容性，结果表明：Co-30Cr-5Ag合金具有良好的生物相容性。综上所述，通过HEBM和SPS烧结相结合的方法制备出了一种新型Co-30 at% Cr-5 at% Ag超细晶合金，该合金具有高强度、优良的耐磨性能和良好的耐腐蚀性能，良好的抗菌性能与生物相容性能，是一种理想的牙科合金植入材料。

In order to solve the problem of the large-scale production of microfluidic chips, based on the flexibility of the micro-nano processing method, the key structure energy-director in the micro-fluidic chip are extended and optimized. A micro-energy array with self-protection, self-alignment, and and better mechanical distribution has been designed. Utilizing the characteristics of mask defects that are easy to appear in high-depth dry etching, the rectangular, triangular and semi-circular design ranges of traditional energy-director are expanded, and the isotropic trapezoidal energy-director are innovatively proposed. The concept of such a energy-director can effectively avoid the disadvantage of low bonding efficiency of the triangular energy-director, and at the same time has higher production efficiency than the semicircular energy-director. Combined with the self-designed micro-energy array, this paper explores the influence of ultrasonic bonding parameters, and the effects of bonding amplitude, bonding pressure and bonding energy input on bonding strength, sealing property and microstructure deformation. It provides a reference for improving the bonding quality in a more general and wider application.

钴基合金 放电等离子体烧结 滑动摩擦 抗菌性能 生物相容性 生物植入

cobalt-based alloy spark plasma sintering sliding wear antibacterial properties cytocompatibility implants

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联合培养

南方科技大学

蒋飞龙. 新型钴铬银超细晶合金的制备及在牙科领域应用研究[D]. 深圳. 哈尔滨工业大学,2019.