阅读说明：本技术 一种不锈钢对称功能梯度生物复合材料 (Stainless steel symmetric functional gradient biological composite material ) 是由 陈风华 于 2018-07-04 设计创作，主要内容包括：为了改善粉末冶金零件的硬度、耐磨性,设计了一种不锈钢对称功能梯度生物复合材料。采用316L气雾化不锈钢粉末为原料,经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、球磨工艺成功制备了具有优异力学性能的汽车用粉末冶金不锈钢零件。其中,所述的不锈钢对称功能梯度生物复合材料,通过控制HA粉末的含量在20%~40%之间时,所得复合材料的抗弯强度和弹性模量分别与人体骨的抗弯强度和弹性模量相匹配,得到生物力学相容性好的复合材料。所述的不锈钢对称功能梯度生物复合材料,界面结合紧密,所得生物材料符合功能梯度材料的设计要求。本发明能够为制备高性能的生物复合材料提供一种新的生产工艺。(The stainless steel symmetric functional gradient biological composite material HAs the advantages that the bending strength and the elastic modulus of the obtained composite material are respectively matched with the bending strength and the elastic modulus of human bones when the content of HA powder is controlled to be 20% ~ 40%, so that the composite material with good biomechanical compatibility is obtained.)

一种不锈钢对称功能梯度生物复合材料

所属技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种不锈钢对称功能梯度生物复合材料。

背景技术

梯度复合材料采用先进的材料复合技术、通过控制构成材料的要素(组成、结构等)由一侧向另一侧呈连续梯度变化的非均质材料。其内部可达到界面消失，性质和功能相应于组成和结构的变化而呈现梯度变化，可减小和克服结合部位的性能不匹配因素。其制备方法有相分布控制和粒子排列技术两大类，包括物理真空镀膜、化学气相沉积、粒子排列烧结、等离子喷镀、薄膜叠层和自蔓延高温合成法等，在核能、电子、光学、化学、电磁学、生物医学以至日常生活领域都有着一定的潜在应用前景。

不锈钢是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢。不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。添加钼可进一步改善大气腐蚀性，特别是耐含氯化物大气的腐蚀。

发明内容

本发明的目的是为了改善粉末冶金零件的硬度、耐磨性，设计了一种不锈钢对称功能梯度生物复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

不锈钢对称功能梯度生物复合材料的制备原料包括：316L气雾化不锈钢粉末。

不锈钢对称功能梯度生物复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入球磨机中进行湿磨。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至热压机中进行热压，压制压力为50MPa，保温时间为300min，随后放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为60min。

不锈钢对称功能梯度生物复合材料的检测步骤为：在CSS−44100万能试验机上采用三点弯曲法测试3个相同成分的HA/316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料试样的抗弯强度和弹性模量。粒度分析采用MASTER2000粒度分析仪，显微组织采用Leica金相显微镜观察，硬度采用DH100型显微维氏硬度计测试，拉伸性能采用CM510型万能试验机上测试，断口形貌采用扫描电镜观察，物相分析采用D8型X射线衍射仪分析。

所述的不锈钢对称功能梯度生物复合材料，通过控制HA粉末的含量在20%~40%之间时，所得复合材料的抗弯强度和弹性模量分别与人体骨的抗弯强度和弹性模量相匹配，得到生物力学相容性好的复合材料。

所述的不锈钢对称功能梯度生物复合材料，不锈钢对称功能梯度生物复合材料在宏观上呈现明显的梯度，微观上则表现出成分连续变化，且各成分分布均匀、弥散；各梯度层之间没有明显的宏观界面以及明显的缺陷和裂纹等。

所述的不锈钢对称功能梯度生物复合材料，在各梯度层内部及界面处两相分布均匀，界面结合紧密。所得生物材料符合功能梯度材料的设计要求。

本发明的有益效果是：

采用316L气雾化不锈钢粉末为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、球磨工艺成功制备了具有优异力学性能的不锈钢对称功能梯度生物复合材料。其中，所研制的不锈钢对称功能梯度生物复合材料的抗弯强度和弹性模量分别与人体骨的强度和模量相匹配，得到生物力学相容性好的复合材料；HA/316L不锈钢复合材料各梯度层之间过渡自然，没有明显的宏观界面、缺陷和裂纹等，梯度层内部和界面处两相分布均匀，且各成分均呈现连续的梯度分布，界面结合紧密。本发明能够为制备高性能的不锈钢对称功能梯度生物复合材料提供一种新的生产工艺。

具体实施方式

实施案例1：

不锈钢对称功能梯度生物复合材料的制备原料包括：316L气雾化不锈钢粉末。不锈钢对称功能梯度生物复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入球磨机中进行湿磨。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至热压机中进行热压，压制压力为50MPa，保温时间为300min，随后放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为60min。不锈钢对称功能梯度生物复合材料的检测步骤为：在CSS−44100万能试验机上采用三点弯曲法测试3个相同成分的HA/316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料试样的抗弯强度和弹性模量。粒度分析采用MASTER2000粒度分析仪，显微组织采用Leica金相显微镜观察，硬度采用DH100型显微维氏硬度计测试，拉伸性能采用CM510型万能试验机上测试，断口形貌采用扫描电镜观察，物相分析采用D8型X射线衍射仪分析。

实施案例2：

纯316L不锈钢具有很高的抗弯强度，超过1GPa；而羟基磷灰石的抗弯强度低，按一定比例加入HA粉末和316L不锈钢粉末能显著调节复合材料的抗弯强度；HA粉末的加入量在30%时，得到的复合材料的抗弯强度与人体骨的抗弯强度相匹配，在316L不锈钢粉末中加入适当的HA粉末来调节复合材料的力学性能。

实施案例3：

纯316L不锈钢的应力—应变曲线有完整的弹性变形阶段、塑性变形阶段以及屈服阶段，表现出良好的塑性；不锈钢的弹性模量远远高于活体骨组织的弹性模量，这种植入材料与活体骨之间弹性模量不匹配，使载荷不能由植入物很好地传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”效应，从而导致骨质疏松、植入器件松动和脱裂。在316L不锈钢中加入HA粉末，可以降低材料的弹性模量，从而有效改变由于“应力屏蔽”而引起的植入材料失效。但是，随着HA粉末含量增加到54%时，材料表现为陶瓷所特有的硬脆性，在较低的应力作用下只有微量的形变就发生断裂，出现典型的脆性断裂。通过混合一定比例的316L不锈钢粉末和HA粉末，可以得到与活体骨更为匹配的弹性模量以及不同力学性能的复合材料，从而得到具有良好生物力学相容性的复合材料。对复合材料通过梯度结构的设计，可以实现复合材料力学性能的渐变。

实施案例4：

HA陶瓷和316L不锈钢各梯度层界面平直，在梯度层内两相分布均匀，没有裂纹或大的孔洞出现。采用热压工艺可以成功制备HA/316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料。Ca和P元素含量呈现出先减少后增加的趋势，而Fe，Cr和Ni3种元素含量则先增加后减少，且5种元素含量均为连续变化，即从左至右HA含量先减少后增加，316L不锈钢含量先增加后减少，与所设计的梯度层成分的变化相一致。HA/316L对称梯度生物复合材料在宏观上表现出梯度分布，且为对称梯度分布，而在微观上HA和316L不锈钢2种成分则是连续变化的，符合功能梯度生物复合材料的设计要求。

实施案例5：

各梯度层之间过渡自然，没有明显的宏观界面，也没有明显的缺陷和裂纹等。梯度层内部和界面处两相分布均匀，且各成分均呈现连续的梯度分布，界面结合紧密。HA/316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料具有优良的力学性能，能够应用于承载的环境。梯度结构的设计使得成分变化幅度减小，从而减小了强烈依赖于组成分布的残余热应力和残余热应变，必然能达到降低热应力的目的，提高界面的结合能力。分析材料的微观结构可知，HA/316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料中没有产生缺陷，界面结合良好，实现了热应力的缓和。