[发明专利]一种梯度异构钛钽层状复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种梯度异构钛钽层状复合材料、制备方法及其应用，这种钛钽层状复合材料，通过改变钛层与钽层的厚度比例，实现了层状复合材料中的成分梯度分布，并可对其组织和性能进行调控，在复合材料中形成了多层次的具有不同结构的层状组织，提高了材料的强度和韧性，降低了弹性模量。具体方法是，选择不同厚度的钛箔和钽箔，交替叠置钛层和钽层，利用扩散连接法把钛箔和不同厚度的钽箔连接起来，制备了梯度异构钛/钽层状复合材料，有效提高了钛钽合金综合力学性能，同时延伸率可达28％同时，该制备方法可以用于调控层状复合材料的组织和性能，改良和调控生物医疗领域用钛钽合金的性能具有指导意。

技术领域

本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种梯度异构钛钽层状复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

近年以来，研究人员发现，β型钛合金的密度接近人体硬组织，且其生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴合金，是最佳的金属医用材料。因此，研发高强度、高韧性、高耐蚀性、高耐磨性和适宜的弹性模量的β型钛合金至关重要。钛在882℃以上会发生同素异构转变，由α-Ti转变为β-Ti，而钽作为β稳定元素，能无限固溶到β型钛合金中，有利于降低β型钛合金的弹性模量并提高强度。并且，钽具有优良的化学稳定性和抗生理腐蚀性，钽的氧化物几乎不被人体吸收和呈现毒性反应，可与其它金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。临床上，钽也表现出良好的生物相容性，被用作接骨板、种植牙根、心血管支架及人工心脏等。因此，以钽为β稳定元素开发的β型钛钽合金得到许多研究者关注。

但是，现有工艺所得的钛钽合金和钛钽复合材料，其弹性模量相比骨组织高很多，屈服能力不强，还存在高强度和高断裂韧性无法兼容的问题，易发生组织与植入材料的脱落导致手术失败。且存在制造工艺复杂问题，如多次熔炼均匀化等，提高了制造成本，影响其在医疗领域的广泛应用。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于解决钛钽合金的弹性模量相比骨组织高很多，高强度和高断裂韧性无法兼容、制造工艺复杂和制造成本高等问题，提供了一种梯度异构钛钽层状复合材料、制备方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明公开了一种梯度异构钛钽层状复合材料，所述层状复合材料为由钛层和钽层间隔排布而成的对称层状组织，对称层中心为钛层，其他层厚度及位置关于对称层中心对称设置，所述钛层和钽层均由轧制态金属薄片制成，所述钛层厚度均相同，对称的两层钽层为钽层组，所述钽层组设有多个，钽层组的厚度值至少有两种。

所述钛层厚度为0.1mm；所述钽层厚度值为0.1mm、0.05mm、0.03mm中任意一种。

所述层状复合材料以第13层0.1mm钛为对称层中心，其他层厚度及结构设计关于第13层0.1mm钛对称，从第13层0.1mm钛由内到外依次叠置0.1mm钛/0.03mm钽/0.1mm钛/0.1mm钽/0.1mm钛/0.05mm钽/0.1mm钛/0.03mm钽/0.1mm钛/0.05mm钽/0.1mm钛/0.1mm钽/0.1mm钛。

所述层轧制金属薄片经过SPS高温等离子烧结后，形成富钛层、富钽层和界面件钛钽固溶体。

本发明还公开了一种梯度异构钛钽层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：表面处理：钛箔和钽箔裁剪成片，将表面附着的氧化物打磨后再放在无水乙醇溶液中超声震荡，清洗去除表面附着的灰尘等杂质后干燥，干燥后保存于密封袋中；

S2：装模：将经步骤S1表面处理后获得金属钛箔、金属钽箔按要求依次层叠放置形成复合层状结构，装填进石墨模具中获得待烧结体；

S3：烧结：在真空状态下对步骤S2获得的待烧结体进行放电等离子烧结；

S4：脱模：将烧结体从石墨模具中取出，得到梯度异构钛钽层状复合材料。