[发明专利]一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法，属于生物锌合金设计和制造技术领域。所述共晶生物锌合金以质量百分比计包括下述组分：锌98.9‑99.1wt％、铝0.8wt％、锆0.1‑0.3wt％。按设计组份取锌粉、铝粉和锆粉，在保护气氛下250‑400r/min球磨2‑4h，得到混合粉末；然后在保护气氛下，采用SLM工艺制备锌‑铝‑锆共晶生物锌合金。本发明通过锆元素的异质形核和成分过冷，使基体中的富铝相和富锌相交替析出凝固，从而在锌铝合金中生成层片共晶结构，并且提高锆的含量能够进一步细化层片共晶结构；此外，应用SLM技术凝固速度快的特点能够抑制形核生长，从而进一步细化锌合金的层片共晶结构。层片共晶结构的形成和细化提高了生物锌合金的力学性能，促进了其在组织修复领域的应用。

技术领域

本发明属于生物材料设计和制备技术领域，特别涉及一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法。

背景技术

锌的标准电极电位在镁和铁之间，具有与人体骨组织生长相适宜的降解速率，因此被认为是一种极具潜力的骨修复材料。此外，锌具有良好的生物相容性和优异的加工性能，并能参与人体细胞发育生长、基因表达、免疫系统和神经系统等众多生理反应过程。然而，锌的力学性能尤其是强度和韧性较差，目前还难以达到骨缺损修复的要求，这极大地限制了其应用。因此，提高锌的力学性能成为其用于可降解骨植入物迫切需要解决的难题。

近年来大量研究表明，添加合金元素和改进制备工艺是提高锌力学性能的有效方法。在选择合金元素时不仅要考虑对锌力学性能的改善作用，同时还应考虑合金元素的生物相容性。目前国内外学者针对锌基合金做了一系列研究，获得了许多合金体系，如锌-镁、锌-钙、锌-锶等，这些合金元素的添加均不同程度的提高了锌的力学强度，但同时也在锌基体中生成了硬而脆的第二相，使得这些锌合金的断裂韧性和延伸率降低，还是难以满足使用要求。

根据锌铝二元合金相图，铝元素和锌元素在特定比例下会发生共晶反应形成片状的共晶结构。因此，若能将铝作为合金元素添加到锌中，有望生成层片状的共晶结构，从而提高锌合金的力学性能。但是锌铝合金共晶点处的铝含量为5.1wt％，如此高的铝含量不仅会对人体组织器官造成损伤，并且会造成层片状共晶组织粗大，减弱其力学强化效果。因此，如何在保持生物安全性的基础上，有效利用铝和锌之间的层片共晶反应并有效发挥其强化作用，成为锌铝合金在骨修复中应用的关键。

发明内容

为了克服上述现有技术中生物锌合金力学性能不足等缺点，本发明的目的在于提供一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种细小层片共晶结构的生物锌合金，由锌98.9-99.1wt％、铝0.8wt％和锆0.1-0.3wt％组成，其中，富铝相和富锌相交替析出凝固形成细小层片共晶结构。

所述细小层片共晶结构的生物锌合金晶粒尺寸随锆含量的升高而减小。

优选地，所述细小层片共晶结构的层片间距小于1μm。

本发明中，所述锆的含量越高，细小层片共晶结构的层片间距越小，压缩强度越高。

优选地，所述铝的含量为0.8wt％，锆的含量为0.1-0.2wt％。更优选地，所述铝的含量为0.8wt％，锆的含量为0.2wt％。

本发明还提供了所述细小层片共晶结构的生物锌合金的制备方法，包括下述步骤：

步骤一：

配取锌粉、铝粉和锆粉，在保护气氛下球磨得到锌铝锆混合粉末；

步骤二：

以步骤一所得锌铝锆混合粉末为原料，在保护气氛下，采用SLM工艺制备层片共晶结构的生物锌合金。