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生物活性硅酸钙(CaSiO3)是一种新兴的生物陶瓷材料,因其出色的生物活性受到了许多关注和研究,然而,硅酸钙的烧结性能差,力学性能不理想。目前的许多报道中,它的烧结温度通常高于1000℃而密度低于90%,抗弯强度低于100MPa。因此大大限制了硅酸钙的实际应用。
Ti3SiC2结合了金属和陶瓷的许多优良性能。强度大、韧性高,相对较软,其特殊的层状结构又使得它具有自润滑性和可加工性能,因此近年来受到人们的广泛关注。最近的研究又表明Ti3SiC2具有良好的生物相容性,它是一种生物惰性陶瓷并可能被应用在生物医学领域。
本课题在硅酸钙中添加了0~40vol.%的Ti3SiC2,然后采用了放电等离子烧结方法制备了CaSiO3/Ti3SiC2复合材料,并对其进行了力学性能测试和模拟体液(SBF)浸泡试验。具体研究内容和结果如下:
(1)以硝酸钙和硅酸钠为原料采用化学共沉淀法制备β-CaSiO3粉体,符合生物材料的基本要求。
(2)在Ti、Si、C为起始原料中加入微量的Al进行烧结,可以得到仅含少量TiC杂质的Ti3SiC2,纯度在93%以上。
(3)采用SPS设备可以在9500C烧结得到致密度大于98%的纯β-CaSiO3陶瓷,抗弯强度均高于200Mpa,断裂韧性也超过1.5MPa·ml/2。
(4)采用SPS制备了硅酸钙/Ti3SiC2复合陶瓷,力学性能测试表明Ti3SiC2的加入明显提高了α-CaSiO3的抗弯强度和断裂韧性,当添加的Ti3SiC2体积百分比达到40%时,复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别达到了319±12 MPa和2.94±0.15MPa·m1/2。
(5)加入Ti3SiC2能显著提高复合材料的可加工性能,当添加量达到40vol.%时,该复合材料具有很好的可加工性能。采用金刚钻钻头能在该样品表面钻出一个圆孔,周围没有任何崩裂或缺损。
(6)模拟体液浸泡实验表明:添加了10%和20%的Ti3SiC2的样品都具有比较优良的生物活性,但当Ti3SiC2的添加量达到40%后,复合材料基本失去了生物活性。