可控排布CF-CNT增强HA基复合材料的研究

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1、学校代码：１０７０８论文分类号：２学号：１５０５０３２ＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文＇ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ？｜可控排布ＣＦ－ＣＮＴ增强ＨＡ基＿１１＂．指导教师姓名：赵雪妮教授：丨＾学科名称：材料加工工程Ｉ１＿Ｉ１＇＂论文提交曰期：２０１８年３月二；；：：：％；；１８论文答辩日期：２０年５月ＩＩＨＩＩ■学位授予单位：：陕西＃技大学；Ｉ＾ＳＳＳ；＾＾＝ｓｓｓｓｓ申请工学硕士学位论文论文题目：可控排布CF-CN

2、T增强HA基复合材料的研究学科门类：工学一级学科：材料科学与工程培养单位：机电工程学院硕士生：张黎导师：赵雪妮教授2018年5月ResearchonControllableArrangmentofCF-CNTReinforcedHACompositesAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByLiZhangSupervisor:Prof.XueniZhaoMa

3、y2018可控排布CF-CNT增强HA基复合材料的研究摘要本课题源于导师的国家自然科学基金“CF表面梯度烧结保护-纳米HA涂层的构筑及其实现增强HA人工骨材料的基础研究（51772179）”。具体内容如下：羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2，HA）是人体组织的主要成分，具有优良的生物相容性和生物活性，在植入人体后能与骨组织形成良好的化学键合。但纯HA脆性大、强度低限制了其作为承重骨的应用。通过添加碳纤维（CF）和碳纳米管（CNT）来改善纯HA力学性能是一种有效的方法。然而，由于CF在复合材料中分布状态不可控、CF和CNT的高温氧化损坏及其与基体热膨胀系数不匹配等导致其增强效果没

4、有最大发挥。因此，本文通过CF单丝在HA基体中的正交排布、制备Mg掺杂HA粉体、在CF和CNT表面分别构筑nHA涂层改善HA力学性能。同时，基于不同烧结工艺研究了复合材料的强韧机理。具体研究内容和结果如下：（1）基于混合酸处理对CF力学性能的影响，进一步研究了高温处理对纤维表面结构和力学性能、纤维性能和分布状态对复合材料力学性能的影响规律，通过热压烧结法制备了可控正交排布CF和混合酸处理CF（TCF）增强HA复合材料。结果表明，混合酸处理可以通过消除结构缺陷及均化表面结构来改变CF的表面结构，混合酸处理后其拉伸强度从3.36±0.12（CF）增加到3.65±0.12GPa（TCF）。C

5、F-850的拉伸强度与CF相比没有明显变化，由于混合酸处理对纤维表面的高温效应，TCF-850的拉伸强度比TCF降低了38.63％。当采用三层CF作为增强材料时，复合材料（3CF/HA）的弯曲0.5强度和断裂韧性分别达到最大值为16.57±0.90MPa和1.43±0.11MPa·m，与纯HA对比分别增加了16.77％和22.22％，与3TCF/HA复合材料相比分别增加了50.64％和25.44％。（2）采用电化学沉积法结合生物矿化法在CNT表面制备了nHA涂层，研究了电化学沉积时间、电流密度和生物矿化时间对nHA涂层的影响。发2现当电流密度为5mA/cm、电化学沉积时间为15min、

6、生物矿化时间为12h时，CNT表面能够沉积均匀的小颗粒状nHA涂层。以水热合成法制备的Mg-HA为基体，采用常压烧结法制备了CNT/Mg-HA复合材料，研究了烧结温度、CNT含量以及nHA涂层CNT对复合材料的强韧效果。结果表明，I复合材料的力学性能随烧结温度的升高而增加，但当温度过高时会发生脱羟分解反应从而造成CNT氧化。随CNT含量的增加，复合材料力学性能先增加后降低，当CNT含量为1%时弯曲强度和断裂韧性分别为24.24±0.41MPa0.5和2.42±0.05MPa·m。nHA涂层CNT能够有效缓解CNT与Mg-HA的热膨胀系数不匹配，复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别为30.7

7、7±0.35MPa和0.52.59±0.17MPa·m。（3）采用电化学沉积法在CF表面制备了nHA涂层，研究了电流密度和沉积时间对涂层的影响。基于常压烧结工艺制备了三层正交排布CF协同CNT强韧Mg-HA复合材料，研究了nHA涂层对复合材料力学性能的影响规律。研究表明，随着沉积电流的增加，涂层的沉积量先增加后减小，当电2流密度为5mA/cm时，沉积量达到最大，约为2.7mg，且涂层形貌由针状逐渐变为棒状；随着沉积时间的增加，涂层的沉积量逐渐增