[发明专利]一种多孔镁及镁合金的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于多孔材料领域，涉及一种镁基多孔材料的制备方法，特别是利用一种无生物毒性的高分子材料制备多孔镁及镁合金的方法。

背景技术：

多孔结构是自然界最为常见的自然结构，该种结构能够在较轻的质量下有效地发挥其力学性能和结构功能。多孔金属是多孔材料中非常重要的一种，其结构有的呈现骨架结构，有的呈现蜂窝状结构，其性能用途与材料的孔隙率、制备工艺等有着非常大的关系。正是由于多孔金属的质轻、减震、隔热、具有电磁屏蔽等性能，使得其在冶金、机械、交通、生物医用领域都有着非常广泛的应用。伴随我国的经济和社会的发展，人民群众的生活品质有了长足的进步，对健康生活品质的更高要求催生了医疗产业的发展，生物医用材料的研究与进步显得更加重要与紧迫。在新型的生物医用材料与器械中，最具有应用前景的是牙齿，骨骼，及其他生物硬组织修复和替换的材料。目前，我国高端生物医用材料与器械更多依赖进口，因此研制具有自主知识产权，满足人民群众更好医疗需求的材料是我国的重大战略方向。

与传统的生物医用金属、陶瓷、高分子材料相比较。我们关注的镁基多孔金属材料具有以下优势：(1)镁及镁合金具有良好的生物相容性。镁离子是人体中含量较多的无机离子，仅次于Na⁺、Cl^-、K⁺、Ca²⁺，是人体必不可少的组成元素，且在人体骨骼中大量出现。参与机体众多重要的新陈代谢过程，对酶的活性有着非常重要的影响，在生命遗传领域，Mg²⁺的存在对DNA、RNA结构的稳定有着非常重要的作用。(2)镁及镁合金有较高的比强度和比刚度，杨氏模量为41～45GPa，与钛合金、不锈钢等目前常用的金属基医用材料相比，镁基材料的杨氏模量更加接近人骨，可有效缓解应力遮挡效应。(3)镁及镁合金能够发生降解反应。镁基合金的化学性质非常活泼，尤其是在人体生理环境中，能够发生自发的缓慢降解。植入人体后，不需要二次手术即可通过腐蚀完全降解。消除了传统金属硬组织修复材料需要二次手术摘除所带来的问题。(4)多孔结构可为细胞提供三维生长空间，有利于养料和代谢物的交换运输，其本身具有生物活性，可诱导细胞分化生长和血管长入。而且可以在多孔镁的孔隙进行更多层面上的材料的复合，结合上更加有利于人体恢复的材料与物质。因此，多孔镁基合金满足作为硬组织修复和替换材料的条件，具有非常良好的研究和应用前景。

目前，常用的多孔镁基合金制备方法主要有以下几种：(1)直接发泡法，即在镁及镁合金熔炼时，直接向金属熔体中加入TiH₂、CaH₂等发泡剂，通过搅拌等方式使金属液与发泡剂混合均匀，发泡剂受热分解出气体，冷却后即形成泡沫材料。(2)渗流铸造法，即是将具有一定尺寸、结构与强度的固体颗粒或骨架(如溶盐、陶瓷、玻璃等)成型结合在一起，而后将镁基金属熔体浇铸在固体颗粒或骨架中，待熔体冷却后将固体颗粒或骨架除掉得到多孔镁。(3)粉末冶金法，将镁或镁合金粉末与造孔剂、发泡剂混合，经过一定的成型后烧结，使得发泡剂分解、蒸发，进而制得多孔镁。(4)共晶定向凝固法，在镁基金属熔体中，通入一定量的高纯氢气、或者高纯氩气，通过对凝固方式定向控制，获得内部孔隙如莲藕状的多孔镁材。

上述方法主要存在的问题是：(1)在制备多孔镁的工艺中引入大量发泡剂以及不便被除去的造孔剂，因而极易在成型后的多孔镁材中形成不利于孔隙联通的杂质，孔隙均匀性受到很大限制，影响其使用；(2)镁基合金在含有水的环境中比较容易发生腐蚀，在熔炼过程中的氧化导致材料内部出现大量的杂质与缺陷；(3)某些制备工艺过于复杂，需要极其精细的控制，对多孔镁制备成型后的加工使用具有非常大的限制。

经过对现有的技术文献检索发现，中国发明专利201010502902.7，专利名称：多孔镁和多孔镁合金的制备方法，涉及采用粉末冶金的方法制备多孔镁。但是合金的制备过程不采用造孔剂，且烧结采用的是热压烧结，施加的压力非常小，不利于材料的成型，对于材料的力学性能具有较大的影响。

中国发明专利200710047138.7，专利名称：粉末压制制备多孔泡沫镁的方法，采用的是是粉末冶金法制备多孔镁。该法以镁合金坯料为原料，通过切削加工获得镁合金粉末。而后震动装料将镁合金粉体成型并热压，采用的热压温度为300℃～500℃。而后通过各种大变形量的加工，得到镁合金成品。但是该法难以控制多孔镁的孔隙率及孔隙的分布。