碳纳米管增强介孔羟基磷灰石纳米复合材料的制备与性能研究

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1、分类号：TB34密级：UDC：66.03编号：201421803015河北工业大学硕士学位论文碳纳米管增强介孔羟基磷灰石纳米复合材料的制备与性能研究论文作者：宋晓庆学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：材料加工工程指导教师：李海鹏职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目（No.51201056）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsProcessingEngineeringSTUDYONTHEFABRICATIONANDPROPERTIESOFCA

2、RBONNANOTUBESREINFORCEDMESOPOROUSEHYDROXYAPATITENANOCOMPOSITESbySongXiaoqingSupervisor:Prof.LiHaipengMay2017ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51201056.摘要羟基磷灰石（HA）具有与人骨类似的晶体结构和化学成分、良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，因此，被认为是理想的骨组织替换材料。但是，纯HA力学性能差，较低的强度和韧性限制了其在承重骨替代方面的应用。碳纳米管（

3、CNTs）具有优异的力学、电学和热学性能，并被认为是理想的复合材料增强相之一，借助CNTs的增强、增韧效果制备CNTs/HA复合材料的研究已被开展。然而，目前所制备的CNTs/HA复合材料仍存在不足之处，例如，CNT-HA界面结合弱，复合材料力学性能低；CNTs裸露引发毒性问题；材料比表面积和润湿性低，不利于细胞黏附、增殖和诱导成骨矿化。因此，进一步探究CNTs/HA复合材料的制备工艺与性能具有重要意义。本文提出了CNTs增强介孔HA复合材料的研究思路，以化学气相沉积法原位合成的CNTs/HA复合粉末为原材料、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂，采用化学均匀沉淀法制

4、备了介孔HA包覆CNTs复合粉末（CNT@meso-HA），探究了合成工艺条件对CNT@meso-HA合成效果的影响，分析了介孔HA的形成机理，探讨了通过粉末冶金法制备的CNTs/HA复合材料的组织结构、力学及生物学性能。在制备CNT@meso-HA的研究中，首先采用过氧化氢/磷酸结合超声工艺对CNTs/HA原位复合粉末进行表面化学修饰，成功在CNTs表面枝接了羟基、羧基等官能团；而后，采用化学均匀沉淀法制备了CNT@meso-HA，最佳工艺条件为：35℃陈化72h，复合粉末比表面积为131.7m2/g；提高陈化温度和延长陈化时间，介孔HA沉积层厚度逐渐增加，实现了介孔H

5、A对CNTs的紧密包覆。对CNT@meso-HA的体外细胞毒性测试表明：CNTs/HA原位复合粉末有细胞毒性，CNT@meso-HA无细胞毒性。对CNTs增强介孔HA复合材料的性能测试表明：CNTs含量为3wt.%时，复合材料具有最高的抗弯强度（79MPa）和断裂韧性（2.37MPa·m1/2），较纯HA分别提高了52%和216%，主要强化机制为CNTs的拔出和桥连；同对比样品相比，细胞在CNTs增强介孔HA复合材料表面生长形态最佳，该材料有利于细胞的攀附增殖，具有更优异的成骨矿化性能。关键词：碳纳米管介孔羟基磷灰石复合材料力学性能生物学性能IABSTRACTAsanim

6、portantbonemineralcomponent,hydroxyapatite(HA)hassimilarcrystalstructureandchemicalcompositiontohumanbone,andgoodbiocompatibility,biologicalactivityandboneconductivity.Therefore,HAisconsideredasanidealbonetissuereplacementmaterial.However,pureHAhaspoormechanicalpropertiesandthelowerstreng

7、thandtoughness,whichrestrictitsapplicationinweight-bearingbonereplacement.Carbonnanotubes(CNTs)havebeenregardedasoneoftheidealreinforcementsforcompositesduetotheirexcellentmechanical,electricalandthermalproperties.Thus,theresearchonthepreparationofCNTs/HAcompositesh