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碳纳米管/羟基磷灰石复合材料的研制

供稿人:吴春莹  供稿时间:2005-1-10   关键字:碳纳米管  羟基磷灰石  复合材料  
碳纳米管自1991年问世以来,一直是材料科学研究领域的焦点。由于碳纳米管具有相当高的强度和韧性,其作为一种超强的一维增强材料可以有效地提高陶瓷材料的力学性能。美国戴维斯加利福尼亚大学的材料科学家近期研制出了用碳纳米管强化的陶瓷材料,这种新材料比普通陶瓷坚固得多,能导电,并且既能导热又能起隔热作用。新材料的断裂韧度是常规氧化铝的5倍,其导电性比纯氧化铝高10万亿倍,是以前用纳米管制造的陶瓷的7倍。此外,它还具有令人感兴趣的单向导热性能,只朝一个方向即纳米管的排列方向导热,而在和纳米管成适当角度时能反射热,从而使它成为制造隔热保护膜的优质材料。
 
羟基磷灰石(HAp)是目前国际上公认的最具有生物活性的硬组织植入材料之一,无毒、无致癌作用并具有良好的生物相容性。但是,羟基磷灰石本身脆性高、抗折强度低,因此在作为承重材料的应用方面受到很大的限制。人们尝试了许多方法来提高羟基磷灰石陶瓷的韧性和强度,然而引入的第二相往往会导致生物相容性的下降,并有可能加速羟基磷灰石的分解。
 
碳纳米管在强化陶瓷材料上的优异表现引发了人们对羟基磷灰石材料改性的新思路。目前国外研究人员已在羟基磷灰石/碳纳米管复合材料的制备方面开展了研究。日本东北大学Omori等将多壁碳纳米管和酚醛树脂混合后于放电等离子体体系中固化,并浸渍在由CaHPO4·2H2O和Ca(OH)2制得羟基磷灰石悬浮液中,干燥后通过放电等离子体烧结工艺得到羟基磷灰石包覆的多壁碳纳米管。
 
国内科研人员对碳纳米管强化的陶瓷材料倍加关注,相关研究进行得较多的机构有中科院上海硅酸盐研究所、山东大学和清华大学等。山东大学液态结构及其遗传性教育部重点实验室和工程陶瓷省重点实验室以机械球磨法和超声分散法两种工艺制得分散均匀的碳纳米管/羟基磷灰石(CNTs/HAp)复合粉体,经无压烧结制备出了碳纳米管/羟基磷灰石复合材料,同时以XRD、IR、TEM及SEM等对复合材料进行表征并研究了烧结温度对材料力学性能和微观结构的影响。该实验室最近公开的专利CN1440948报道了一种羟基磷灰石与碳纳米管的复合材料及其制备方法,工艺过程为先采用化学沉淀法合成羟基磷灰石,不经固液分离而直接与碳纳米管混合得到复合粉体,然后经冷压或等静压成型和无压烧结,制得羟基磷灰石/碳纳米管生物复合材料。该复合材料具有良好的机械性能和生物相容性,同时具有一定的磁性及吸波性,可用于人体骨的修复、替换及骨科疾病的体外物理治疗等方面,并在人体承重骨及磁性和吸波材料方面具有应用潜力。
 
清华大学2002年公开的专利CN1381276介绍的一种塑料/陶瓷基骨修复用复合材料,以微生物合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA)为基体,并以碳纳米管增强。该复合材料的具体组成:以40~90wt%聚羟基脂肪酸酯,10-50wt%磷灰石类陶瓷,3~10wt%碳纳米管为基体材料,以0~1wt%氯化铵或氮化硼或滑石粉作为成核剂,以0~15wt%聚乳酸或聚乙交酯或聚己内酯或聚乙丙交酯共聚物作为降解速度调节剂。该材料具有良好的生物可降解性和生物相容性以及PHA材料独特的压电性和碳纳米管的良好导电性,并具有足够的力学强度,适合于作为骨修复用材料使用。
 
尽管目前羟基磷灰石/碳纳米管复合陶瓷材料离实际应用尚有一定的差距,但随着纳米材料研究的深入,我们有理由相信,其作为新一代生物复合材料将有广阔的发展前景。

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