[发明专利]一种纳米金刚石增强钛基复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米金刚石增强钛基复合材料及其制备方法和应用，属于纳米颗粒增强金属基复合材料技术领域。

背景技术

钛及钛合金具有良好的生物相容性、优良的力学性能及耐蚀性，在生物医学领域具有广泛的应用。随着现代科技的迅速发展，生物医学领域对材料的综合性能提出了更高的要求，纯钛的力学性能往往较为局限，钛合金力学性能有所提高但是许多合金元素具有细胞毒性，难以完全满足骨科、牙科等领域的性能要求，钛基复合材料恰恰克服了这些的缺点，具有优良的综合性能。

钛基复合材料，是指在钛或钛合金基体中加入高模量、高强度、高硬度等良好性能的增强相材料，弥散于基体材料中的增强相大大改善了基体材料钛的比强度、比模量，同时综合了钛基体的延展性与韧性，使之具有优良的力学性能，更加适用于工业和生物医学等领域。钛基复合材料按增强相种类可分为连续纤维增强和非连续纤维增强，其中非连续纤维增强又可分为颗粒增强、晶须增强和短纤维增强。但是纤维增强钛基复合材料成本高昂、制备工艺繁复等原因，极大限制了它的发展空间。非连续增强钛基复合材料克服了以上难题，且增强相在基体中呈弥散分布，使其具有各向同性，能够承受复杂的应力载荷，也具有较好的机械加工性。

纳米颗粒增强钛基复合材料是非连续增强钛基复合材料的重要组成部分。纳米颗粒增强钛基复合材料是上个世纪发展起来的崭新材料体系，近年来，随着纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、以及石墨烯片等纳米结构的不断被发现，碳素纳米颗粒具有传统尺度颗粒所没有的独特性能，从而得到人们的重视，并被广泛应用。在生物医学领域，富勒烯、碳纳米管以及石墨烯等纳米碳增强钛基复合材料具有良好的力学性能，可以对受力部位和器官起到良好的支撑作用，但是这些纳米碳都具有细胞毒性，生物学性能较差，因此限制了这几种纳米碳增强钛基复合材料在医学领域中的进一步临床应用。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的在于提供一种纳米金刚石增强钛基复合材料。其中，纳米金刚石颗粒作为增强基，具有很高的硬度和强度，且没有细胞毒性，具有优良的生物相容性，其均匀分散在基体钛金属的基体中，结合基体钛金属的塑性和生物相容性，因此纳米金刚石增强钛基复合材料具有较高的硬度强度和塑性以及良好的生物生物相容性。

本发明的另一目的在于提供几种制备纳米金刚石增强钛基复合材料的方法，可根据人体硬组织修复部位力学性能和形状要求，调控纳米金刚石增强基的质量比，得到具有不同强度和塑性的钛基复合材料，并可以设计相应修复部分形状的模具，直接装粉烧结近终成型。

本发明的另一目的在于提供这种纳米金刚石增强钛基复合材料在生物医学领域的应用，纳米金刚石增强钛基复合材料可以加工制作成元器件包括：接骨板、螺钉、螺母、股骨、血管支架、髋关节、脊椎固定件、多孔支架等，应用于骨科、牙科、整形外科、颌面外科等生物医学领域。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明公开了一种纳米金刚石增强钛基复合材料，其主要是由纳米金刚石和基体钛所制成；其中，所述纳米金刚石作为增强相，均匀分散在基体钛的基体中。

本发明所述的纳米金刚石增强钛基复合材料是把纳米金刚石颗粒作为增强相加入金属钛基体中。纳米金刚石颗粒作为增强相，具有高硬度和高强度，无毒性，优良的生物相容性，纳米金刚石颗粒均匀分散在钛金属的基体中，可以起到弥散强化作用，提高钛的硬度和强度并保持钛的塑性和生物相容性，最终纳米金刚石增强钛基复合材料具有优异的综合性能。

作为优选，以质量比计，所述纳米金刚石的添加比例为基体钛质量的0.01％-3.0％。

作为另一种优选，所述纳米金刚石的晶粒尺寸为1-100nm，所述基体钛的颗粒尺寸为0.1-800μm。

作为另一种优选，所述基体钛为纯钛、钛铝钒(Ti6Al4V)，钛钼(TiMo)，钛铌锆(TiNbZr)，钛镍(TiNi)，或钛钽(TiTa)合金。

本发明还提供了所述纳米金刚石增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)液相化学混合：取纳米金刚石粉末，加入无水乙醇和1-10.0％质量比的十二烷基硫酸钠作为表面活性剂，先超声波振荡10-120min，然后加入基体钛颗粒，再振荡10-120min，得到混合的纳米金刚石与基体钛的溶液；

(2)球磨机械混合：将步骤(1)所得产品按球料比为4:1-20:1的比例置于球磨罐中，在球磨机上以50-400r/min的转速，交替正反转，球磨1-24小时；