[发明专利]一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法

说明书

本发明公开了一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：步骤1，配制浆料；步骤2，将步骤1所得的浆料进行球磨处理；步骤3，对步骤2所得的浆料进行冷冻处理，获得圆柱状复合冻结体F_n；步骤4，将步骤3得到的圆柱状复合冻结体F_n在真空环境下冷冻干燥，使圆柱状复合冻结体F_n中的溶剂结晶体升华，得到多孔坯体；步骤5，将步骤4得到的多孔坯体进行真空烧结，即得无机纤维增强层状钛合金多孔材料。本发明解决了现有方法制备的高孔隙率层状钛合金抗压强度低的问题。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法。

背景技术

钛及钛合金由于具有低密度，高强度，优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性被广泛应用于生物医用领域。然而，钛合金与骨之间杨氏模量的不匹配对其应用提出了问题。例如TC4钛合金的杨氏模量约为110GPa，远高于骨的杨氏模量(40GPa)。模量的巨大差异将导致“应力屏蔽”效应，进一步引起骨吸收和植入体松动。由于人体松质骨的孔结构多为层状结构，Torres Y等人发表在《Materials and Design》2014年第63卷316-324页的论文《Designing,processing and characterization of titanium cylinders with gradedporosity:An alternative to stress-shielding solutions》研究表明，将钛及钛合金进行多孔化处理，其产生的孔结构有利于通过降低模量来降低“应力屏蔽”效应。因此，多孔化成为降低钛合金杨氏模量的有效途径。

冷冻干燥是制备高孔隙率层状多孔材料的常用方法，这种方法制备出的孔结构与自然骨的孔结构较为相似。冷冻干燥法的原理为将液体悬浮浆料(水基和非水基)进行冷冻，使浆料中的溶剂转变为特殊形态的“冰晶”，并将固体粉末颗粒排挤到晶间位置，随后在真空下将溶剂从固态升华到气态排出，以去除凝固相溶剂，得到疏松的多孔材料的预制体，最后将预制体进行致密化烧结，从而制备出多孔材料。国内外人员采用冷冻干燥法制备出了高孔隙率层状多孔钛及钛合金，但其强度远低于皮质骨的压缩强度(约200MPa)。已发表的文献：Yan等发表的论文《Pore structures and mechanical properties of poroustitanium scaffolds by bidirectional freeze casting》，选自《Materials Scienceand Engineering C》2017年第75卷335-340页，采用双向冷冻干燥制备了孔隙率为67％的层状多孔钛，压缩强度为58MPa。Weaver等发表的论文《Structure-processingcorrelations and mechanical properties in freeze-cast Ti-6Al-4V with highlyaligned porosity and a lightweight Ti-6Al-4V-PMMA composite with excellentenergy absorption capability》，选自《Acta Materialia》2017年第132卷182-192页，采用冷冻定向冷冻干燥法制备了多孔Ti6Al4V合金，力学性能测试结果表明孔隙率为64％时，准静态压缩强度为83MPa。虽然制备出了高孔隙率的层状多孔钛及钛合金，但其压缩强度均低于皮质骨的强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，解决了现有方法制备的高孔隙率层状钛合金抗压强度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，配制浆料；

步骤2，将步骤1所得的浆料进行球磨处理；

步骤3，对步骤2所得的浆料进行冷冻处理，获得圆柱状复合冻结体；