[发明专利]一种制备高孔隙率金属及复合材料的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备高孔隙率金属、陶瓷及复合材料，尤其是医用多孔钛的二次发泡工艺方法，并涉及该方法在制备其他多孔金属、陶瓷及复合材料中的应用。

背景技术

生物医用金属材料，以钛和钛合金为例，具有比强度高，弹性模量低的优点。其生物力学相容性较好，生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴基合金。在矫形外科和牙科中广泛用作种植材料。然而，大量的临床研究发现，由于钛和人体骨的弹性模量的不匹配，产生应力屏蔽现象，造成植入体的周围出现骨吸收，最终导致植入体松动，成为制约钛作为骨修复材料应用的最大障碍。

和实体材料相比，由于气孔的存在，多孔材料具有了一系列特殊的性能：良好的可压缩性、压缩平台应力及在变形过程中泊松比的改变等。优良的综合力学性能以及重量轻是其基本的优点。多孔钛由于孔隙的引入而显著降低了钛的弹性模量和强度，可实现材料与骨力学性能的匹配，从而消除应力集中和应力屏蔽作用。因此，多孔钛将成为最有希望的骨修复材料之一。

多孔钛的成型方法主要包括松装烧结法(Loose packsintering)、有机泡沫浸渍法(Dipping Method With Polymerfoamd)和添加孔隙材料法(Adding spacers sintering)等。

松装烧结法属于无压烧结，将钛粉末松装于模具中，在烧结过程中颗粒相互粘结，形成多孔体。该法具有以下主要缺点：(1)所得产品孔隙率较低，一般为40％左右；(2)不能有效的控制孔隙的孔径和形态，制得的是孔壁光滑的不规则孔；(3)粉末装填不均匀，制品易出现局部凹陷。松装烧结适于球形粉末的成型。

有机泡沫浸渍法是将海绵状有机泡沫浸泡钛粉末的料浆，加热使泡沫分解，再高温烧结成型。其主要缺点是：(1)机械强度低；(2)为使有机泡沫均匀分解，烧结速度缓慢；(3)随着注入金属量的增加和有机基体孔体尺寸的减小，内部很多孔隙被堵塞。

添加孔隙材料法是将钛粉和孔隙材料混合，加压成型，去除孔隙材料后经高温烧结得到多孔钛。该法缺点主要有：(1)难以制得高孔隙率产品；(2)气孔分布均匀性差；(3)需加压成型，成本较高。

松装烧结、有机泡沫浸渍和添加成孔材料法等方法均可制备多孔钛，但产品存在孔隙率低、孔隙不连通等不足，而用于组织工程和骨植入等医学方面，孔隙率和孔隙结构又是多孔钛的重要指标。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是研究一种制备高孔隙率金属及复合材料的新工艺方法，使之具有高孔隙率，孔隙连通性好，且生产时对环境污染小，生物安全性好，适合医用要求的优点。本发明的目的是这样实现的：

在含主体料粉和羧甲基纤维素钠粘结剂的浆料中加入双氧水作为一次发泡剂，加入占含主体料粉质量8-20％的硬脂酸作为二次发泡剂与之混合均匀，倒入无渗透模具中成坯；然后

(1)坯体置入干燥箱在40～60℃干燥，升温速度1℃/min，60℃保温2h，坯体产生初次发泡；

(2)由(1)得到的坯体放入真空烧结炉，抽真空至10-3Pa，以1.5℃/min速度升温至450℃，保温1h，硬脂酸挥发产生二次发泡；然后以3℃/min速度升温至600～1300℃，保温2～3h，烧结成型，得到高孔隙率的主体材料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。主体料粉的平均粒度为400～500目，所用硬脂酸的平均粒度为20～80目。

实施例1

(1)将1g羧甲基纤维素钠，0.2g海藻酸钠，0.1g六偏磷酸钠加入到蒸馏水中，搅拌使其充分溶解，配制成1％羧甲基纤维素钠溶液；

(2)取(1)得到的粘结剂1.2ml，10％浓度双氧水1ml，硬脂酸0.3g，纯钛粉3g，充分搅拌，形成均匀分散的浆料，倒入无渗透模具中；

(3)将(2)置入干燥箱，在40～60℃干燥，升温速度1℃/min，60℃保温2h，在此期间，由于双氧水的分解，坯体进行一次发泡；

(4)将(3)放入真空烧结炉，抽真空至10^-3Pa，以1.5℃/min速度升温至450℃，保温1h，在此期间，硬脂酸挥发进行二次发泡，然后3℃/min速度升温至1300℃，保温2h，高温烧结成型。

本实例中得到孔隙率80％，具网络状孔隙结构的多孔钛。

实施例2

(1)粘结剂制备同实施例1；

(2)取(1)得到的粘结剂2ml，10％浓度双氧水1.6ml，硬脂酸0.5g，钛合金粉末5g，充分搅拌，形成均匀分散的浆料，倒入无渗透模具中；