[发明专利]一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材及其制备方法。属于多孔金属材料制备技术领域。

背景技术

多孔钛及钛合金具有优异的耐腐蚀性、高的比强度、好的生物相容性等物理化学性能和低的密度、大的比表面积和好的透过性等功能特性，在过滤分离、吸气吸声、能量吸收、电极、生物医用等领域得到越来越广泛的应用。近年来，多孔钛及钛合金常被作为骨组织植入和牙修复材料而得到广泛的研究。而多孔钛及钛合金中孔的形态、孔径、孔隙度、连通性等结构特征参数对骨组织的生长至关重要。

目前制备多孔钛及钛合金最常用的方法有粉末冶金法、浆料发泡法、冰模板法，其中粉末冶金法是通过将造孔剂如尿素、碳酸氢铵、淀粉加入钛或钛合金粉末中，通过混合、压制、烧结等工艺脱除造孔剂，粉末颗粒烧结制备钛及钛合金多孔材料。这种方法制备的多孔钛及钛合金孔隙率较低，且材料的孔径很难精确控制。浆料发泡法的关键在于控制浆料的黏度和气泡的大小，但通常气泡的大小以及气泡的分布方式是很难控制的，这也就导致采用该方法所制备材料的孔径大小不均匀。冰模板法是在一定的温度场下对浆料进行定向冷冻凝固，使粉末颗粒在冰晶体的定向生长过程中在冰晶的推挤排斥力作用下进行聚集重排，所得冰坯经真空冷冻干燥处理，最后留下以冰为模板的具有定向排列的多孔层状结构。此法制备的层状孔结构，具有高孔隙率和连通孔的特征，易于骨组织生长。此外，获得的多孔材料孔隙相互连通，具有很好的渗透性。然而由于金属粉末较重，很难形成均匀稳定的浆料，目前用此法合成的多孔材料多为陶瓷材料。近来，研究者也尝试用此法制备多孔钛。但报道都采用崁烯作为溶剂，崁烯结冰速率较慢，很难形成较长的冰晶，故很难获得具有层状结构的多孔钛。如Yook等[Acta Biomaterialia,2012,8,2401-2410]采取反向温度场使冰晶自上而下生长，制备出了一种具有新型结构的多孔钛，但多孔钛中的层状结构并不明显。此外，采用具有毒性的有机溶剂莰烯制备浆料，操作过程会带来不便，同时会对环境造成污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材及其制备方法。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述钛材具有高定向层状孔隙且层与层通过支撑架相连。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述高定向层状孔隙的孔径为1.2-8.3cm、优选为2.1-5.2cm、进一步优选为2.3-4.0cm，层间距为5～180μm。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述高定向层状孔隙的取向度大于等于90％。在本发明中所述高定向层状孔隙的取向度为定向层状孔隙的开孔方向的一致性，其表达式可为：定向层状孔隙的取向度＝钛材中同一开孔方向的定向层状孔隙数目/钛材中定向层状孔隙的总数目。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述孔径为当量孔径，即孔的横截面积换算成圆，该圆所对应的直径。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述骨架层和/或支撑架上还分布有小孔。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述多孔体的孔隙率为30～90％、优选为50％-85％、进一步优选为70％-85％。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材；所述钛材的材质为纯钛或钛合金。所述钛合金中钛元素的质量百分含量大于等于50％。

本发明一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材的制备方法，包括下述步骤：

(1)将金属粉末与水混合液按体积比2：98～60：40混合均匀，得到水基浆料；所述混合液中含有粘结剂，且粘结剂的质量为水质量的1％～5％，优选为1～4％，进一步优选为1.5％～3％。

(2)将水基浆料注入放有具有倾斜角度的绝热体模具内，在设计的双向温度梯度场中低温凝固，待浆料完全冷冻后放入冷冻干燥箱里真空干燥30～50h；所述定向温度场中底部温度低于顶部温度，所述底部温度为-5℃～-100℃，优选为-20～-70℃，顶部温度小于等于5℃，且底部温度与顶部温度的温差大于等于20℃；

(3)将冷冻干燥后的坯体从模具中取出，真空或氩气气氛中，以5～10℃/min的速率加热到300～550℃，优选为350～500℃,进一步优选为380～450℃，保温1～3小时脱除添加的粘结剂；进一步以5～10℃/min的速率升至1100～1250℃，优选为1150～1200℃，保温2～4h。随炉冷却到室温，得到具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材。