论文总字数：22594字

摘 要

多孔陶瓷制备方法多样，其中发泡凝胶法因结合了直接发泡法和凝胶注模工艺的优点。但以单一类型凝胶体系制备多孔陶瓷的工艺存在很多不足。本文对采用二元凝胶体系（丙烯酰胺体系和明胶）进行发泡凝胶成型工艺进行了研究。考察了分散剂、单体、发泡剂和固含量等因素对浆料粘度、陶瓷孔隙结构（包括孔隙率、孔隙尺寸、孔形状等）和强度的影响。研究结果表明，固含量35vol%，分散剂添加量0.5wt%，丙烯酰胺单体加入量10wt%，明胶加入量2wt%条件下获得Si₃N₄料浆，具有较好的工艺性能。研究还发现，丙烯酰胺具有辅助分散的作用。实验也验证了氮化硅具有一定的生物活性，且氮化硅表面涂覆HAp涂层形成的复合材料，在保留了优异强度以及孔隙率的同时，具有了高生物活性。

关键词：氮化硅 多孔陶瓷 发泡凝胶法 二元凝胶体系

Preparation of Silicon Nitride Porous Ceramics

by Foaming Gel-casting Method

Abstract

There are various preparation methods for porous ceramics. Among them, the foaming gel-casting method combines the advantages of the direct foaming method and the gel-casting process. However, foaming gel-casting method with sing gel system induces problems in the forming of porous ceramics. This paper reports the research on the foaming gel-casting method with binary gel system (acrylamide and gelatin). The effects of dispersant, monomer, foaming agent and solid content on the slurry viscosity, ceramic pore structure (including porosity, pore size, pore shape, etc.) and strength were studied. It was showed that the silicon nitride slurry with the solid load of 35vol%, the dispersant amount of 0.5wt%, the acrylamide monomer content of 10wt%, the gel content of 2wt% exhibited a reasonable property. The acrylamide monomer was found played a role in the dispersion of the slurry. Besides, the biological activity of silicon nitride was proved, and the silicon nitride composite with HAp coating obtained both high biological activity and the excellent strength and porosity.

Key Words: Silicon nitride; Porous ceramic; Foam gel-castingl method; Binary gel system

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氮化硅陶瓷研究进展 1

1.3 氮化硅陶瓷的性能 2

1.3.1 氮化硅的机械性能 2

1.3.2 氮化硅的生物性能 2

1.4 多孔陶瓷的制备方法 4

1.4.1 有机泡沫浸渍法 4

1.4.2 添加造孔剂法 4

1.4.3 溶胶-凝胶法 4

1.4.4 发泡法 5

1.4.5 流延成型法 5

1.5 发泡凝胶法 6

1.5.1 发泡凝胶法制作工艺 6

1.5.2 发泡凝胶法工艺发展 6

1.6 本文研究目的与研究内容 7

第二章 实验方法 8

2.1原料及仪器 8

2.1.1 多孔Si₃N₄陶瓷合成原料 8

2.1.2 多孔Si₃N₄陶瓷实验仪器 8

2.2 实验过程 9

2.3 测试表征方法 9

2.3.1 粒度分析 9

2.3.2 粘度测试 10

2.3.3 发泡程度测试 11

2.3.4 显气孔率测试 11

2.3.5 机械性能测试 11

2.3.6 微观形貌分析 12

第三章 实验结果与讨论 13

3.1 粉料粒径的表征 13

3.2 二元胶凝体系 13

3.2.1 胶凝剂浓度的选择 14

3.2.2 固含量的选择 14

3.2.3 分散剂浓度的影响及选择 15

3.2.4 单体浓度的选择 17

3.2.5明胶添加量对浆料粘度影响 18

3.2.6 明胶-AM体系对多孔陶瓷强度及发泡效果影响 20

3.2.7 明胶-丙烯酰胺体系对多孔陶显微结构影响 20

3.3 发泡剂对多孔陶瓷发泡效果及坯体强度的影响 20

3.3.1 发泡时间及发泡剂含量对陶瓷浆料发泡效果的影响 20

3.3.2 发泡剂含量对陶瓷体积密度、显气孔率和微观结构的影响 21

3.3.3 多孔陶瓷机械强度 21

3.4多孔氮化硅生物活性表征 22

第四章 结论和展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 28

第一章 绪论

1.1引言

自20世纪70年代以来，因诸如钛（Ti）合金，钴铬合金（CoCr）和高密度聚乙烯（PE）等现代生物材料的使用，而彻底改变了患者的髋或膝关节等假体的置换方法，因此使临床效果更佳^{[1, 2]}。然而，人体假体轴承令人困扰的一个长期问题是：假体周围关节空间中积聚的微小磨损碎片，特别是假体磨损颗粒对宿主生物的不良反应。因为髋关节和膝关节置换后的颗粒磨损会导致局部发炎，假体周围骨质流失和植入物过早松动，则需要进行翻修手术，故迫切需求减少轴承磨损^[3]。

氧化铝（Al₂O₃）和氧化锆（ZrO₂）因其尺寸和化学稳定性以及耐腐蚀性和耐磨损性，而被广泛应用于外科手术中，其中氧化锆具有较高的断裂韧性，高达10MPam^1/2还有很高的抗弯强度。这些性质有可能成为新兴的陶瓷假体^[2]。但是，氧化锆陶瓷会在体内发现相变，进而导致在患者体内发生病变。同样氧化铝陶瓷偶发轴承失效以及机械性能较差，限制了外科手术的灵活性^[4]。

1.2 氮化硅陶瓷研究进展

董薇^[5]等人通过改变烧结助剂的不同含量，在1750℃下保温1.5h，制备了介电常数在2.3 ~ 2.8之间、强度高达60 MPa、孔径分布为单峰的Si₃N₄/BN复合陶瓷。于方丽、杨建锋^[6]等为了研究添加不同种类的添加剂多孔氧化硅陶瓷性能的影响，选择了Y₂O₃、Lu₂O₃、Eu₂O₃作为添加剂，当添加量为5%，孔隙率大于50%时，多孔氧化硅陶瓷的弯曲强度为170Mpa，介电常数为3.0 ~ 3.2，介电损耗为0.0006 ~ 0.002。Shuang Yin^[7]等人以低毒性单体N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA），兼作胶凝剂和造孔剂性，以凝胶注模成型制备多孔Si₃N₄陶瓷。发现随着单体含量（5.94wt%-30.69wt%），均浆粘度（最大粘度为0.14Pa·s）和生坯强度（11.35 MPa -49.23MPa）显示出单调递增的趋势，这表明通过此方法制备的多孔陶瓷具有优异的机械性能。说明胶凝剂的增加和单体含量不仅提高孔隙率，也促进了通过提高开孔的数量，进而改善了连通性。

1.3 氮化硅陶瓷的性能

1.3.1 氮化硅的机械性能

根据Shi^[9]等人的研究，由10wt%Y₂O₃和Al₂O₃作为添加剂制成的氮化硅陶瓷，尺寸为3×4×30mm的测试棒，初始强度约为600MPa。氮化硅同其他陶瓷类似，为一种抗压不抗弯的脆性材料，以标准的材料性能测试得，Si₃N₄的维氏硬度为12-13GPa，杨氏模量为299GPa，泊松比为0.270，平均晶粒尺寸为0.6μm^[10]。

请支付后下载全文，论文总字数：22594字