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羟基磷灰石（HAP）材料制备及性能研究

作　者: 杨春
导　师: 张密林
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 纳米HAP粉体掺杂离子高温热稳定性 B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷生物相容性
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文采用溶胶-凝胶法、水热法以及微波辅助微乳液法合成了纯HAP粉体和掺杂HAP粉体,利用SEM、TEM、FTIR, XPS、ICP和XRD等分析测试手段,对溶液相、前驱粉体及经不同热处理温度后的HAP粉体和掺杂HAP粉体的化学组成、反应过程和荧光特性进行了研究。同时对合成的粉体材料进行烧结,得到HAP陶瓷,从烧结温度和化学成分两个方面,系统研究了成分和工艺对纯HAP、B2O3-HAP和B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷的相组成、高温热分解行为、微观结构以及抗弯强度和断裂韧性的影响规律。最后,借助SEM、EDS、FTIR等分析手段初步探索了B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷材料的生物相容性。利用溶胶-凝胶法合成了纯相的HAP纳米粉体,研究结果表明,随着合成温度增加,HAP纯度呈增高趋势,粉体的平均粒径逐渐增大。600-700℃之间粉体纯度相对较高,平均粒径尺寸为50-60nm。水热法合成的Eu3+和Tb3+掺杂的HAP晶体不用焙烧处理,得到的荧光粉具有均匀的棒状形态、纳米尺度和窄的尺寸分布；Eu:HAP和Tb:HAP荧光粉显示了Eu3+和Tb3+的特征发射峰,两种样品的衰减曲线都符合双指数函数；此外,样品的荧光强度随着溶剂热反应的温度升高而增强；通过优化,得到Eu3+和Tb3+在Ln:HAP荧光粉中的最佳掺杂浓度为5%。新型微波辅助微乳液合成荧光性的Eu3+掺杂的HAP粒子,其反应过程在温和的反应条件下进行,制备的Eu:HAp粒子具有高纯度和高结晶度,Eu3+特征发射谱线为亮红色荧光,衰减曲线符合双指数函数,初始溶液的pH值决定了产品的形态和粒子大小。纯HAP陶瓷制备工艺研究表明,烧结温度从1200℃升至1350℃,纯HAP陶瓷高温热分解产生β-TCP随着烧结温度升高分解率增大导致纯HAP陶瓷材料抗弯强度和断裂韧性值降低；添加B203提高了HAP的高温热稳定性,1250℃烧结2小时和B203的含量为5wt%时,B2O3-HAP复合陶瓷材料抗弯强度和断裂韧性分别为103MPa和0.65MPa·m1/2；Zr02的加入对HAP的高温分解影响不大,1350℃烧结时抗弯强度和断裂韧性值最大,分别达到122 MPa和1.58MPa·m1/2。生物相容性研究结果表明,B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷材料在模拟体液SBF中经不同浸泡时间后,材料的微观形貌明显不同,主要由于在此过程中试样表面沉积出的无定形羟基磷灰石(ACP)颗粒引起。ACP的形核长大过程分成三个阶段,第一阶段是SBF对B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷材料表面的侵蚀阶段；第二阶段是B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷与SBF溶液的离子交换阶段；第三阶段是形成的ACP已趋于稳定过程。生物急性毒性表明,将B2O3-ZrO2-HAP复合陶瓷粉体注射到兔子体内,经过72h饲养进食正常,均无死亡或惊厥、瘫痪及呼吸抑制等不良反应。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 课题背景  12
  1.2 HAP的晶体结构和性质  12-14
  1.3 HAP国内外研究现状  14-21
    1.3.1 HAP粉体的制备与研究  14-19
    1.3.2 HAP生物陶瓷制备与研究  19-21
  1.4 HAP国内外应用现状  21-24
    1.4.1 在口腔方面的应用  21-23
    1.4.2 其他方面的应用  23-24
  1.5 本文研究的主要内容  24-26
第2章实验材料及研究方法  26-39
  2.1 实验材料  26-28
  2.2 实验方案设计  28-30
    2.2.1 HAP粉体制备的方案设计  28-29
    2.2.2 HAP复合陶瓷材料制备的方案设计  29-30
    2.2.3 HAP复合陶瓷材料生物相容性的方案设计  30
  2.3 实验方法及样品制备  30-34
    2.3.1 HAP粉体的制备  30-32
    2.3.2 HAP陶瓷复合材料的制备  32-33
    2.3.3 生物相容性样品的制备  33-34
  2.4 研究方法  34-38
    2.4.1 抗弯强度测定  34
    2.4.2 断裂韧性测定  34-35
    2.4.3 XRD分析  35-36
    2.4.4 扫描电镜(SEM)观察  36
    2.4.5 透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)观察  36
    2.4.6 FTIR分析  36
    2.4.7 差热-热重分析  36
    2.4.8 X光电子能谱(XPS)  36-37
    2.4.9 自旋耦合等离子发射光谱(ICP)  37
    2.4.10 发射(Emission)与激发(Exciatation)光谱  37
    2.4.11 荧光寿命(Decay curves)  37
    2.4.12 SBF溶液中离子浓度及pH值测定  37-38
    2.4.13 HAP粉体的生物急毒性评价  38
  2.5 本章小结  38-39
第3章 HAP粉体的制备及性能研究  39-71
  3.1 溶胶-凝胶法合成HAP  39-49
    3.1.1 前驱体TG-DTA分析  39-40
    3.1.2 合成温度对HAP性质的影响  40-43
    3.1.3 溶胶-凝胶化学机理分析  43-48
    3.1.4 综合分析  48-49
  3.2 水热法合成掺杂Ln(Eu~(3+),Tb~(3+))HAP  49-62
    3.2.1 XRD分析  49-53
    3.2.2 SEM和TEM分析  53-58
    3.2.3 XPS及FTIR分析  58-59
    3.2.4 荧光性质  59-62
  3.3 微波辅助微乳液法合成Eu~(3+)掺杂的HAP  62-70
    3.3.1 XRD分析  62-63
    3.3.2 SEM及TEM分析  63-66
    3.3.3 XPS及FT-IR测试结果及分析  66-67
    3.3.4 荧光光谱分析  67-70
  3.4 本章小结  70-71
第4章 HAP生物陶瓷制备和性能研究  71-87
  4.1 HAP的高温分解  71-78
  4.2 SEM分析  78-82
  4.3 HAP陶瓷的力学性能  82-85
  4.4 本章小结  85-87
第5章 HAP陶瓷材料的生物相容性  87-100
  5.1 HAP陶瓷试样SEM分析  87-93
  5.2 SBF溶液中离子浓度变化  93
  5.3 SBF溶液中pH值变化  93-95
  5.4 材料生物急性全身毒性实验  95-96
  5.5 HAP陶瓷的生物相容性分析  96-98
  5.6 本章小结  98-100
结论  100-102
参考文献  102-113
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  113-114
致谢  114

羟基磷灰石（HAP）材料制备及性能研究

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