19957

۱۹۹۵۷

بررسي ريزساختار و خواص پوشش نانوساختار گرادياني تابعي HA-TiO2 اعمال شده برروي زيرلايه Ti-6Al-4V به روش سل- ژل

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي - بيو مواد

۱۳۹۴

۱۳۹۷/۷/۱۷

دكتر عليرضا خاوندي - دكتر حميدرضا رضايي

مواد و متالورژي

امروزه كوتاه نمودن زمان تثبيت كاشتني هاي استخواني تيتانيمي در بافت ميزبان از منظر بيمار، پزشك و توليد كننده از اهميت بالايي برخوردار است. پوشش دهي سطح كاشتني با ماده زيست فعال هيدروكسي آپاتيت (HA) يكي از متداول ترين روش ها جهت دستيابي به اين هدف ميباشد. پايداري و استحكام پوشش HA همواره به عنوان يك چالش مطرح بوده است. استفاده از لايه مياني TiO2 اختلاف خواص بين پوشش سراميكي و زيرلايه فلزي را كاهش مي دهد. انتظار مي رود با تدريجي نمودن تغييرات تركيب پوشش و ايجاد پوشش گرادياني تابعي HA-TiO2 خواص سيستم پوششي HA-TiO2 ارتقا يابد. در پژوهش حاضر با تهيه سل هاي HA و TiO2 و انجام آزمون ها و آناليزهاي لازم برروي آن ها جهت اطمينان از دستيابي به تركيبات فازي موردنظر و بررسي رفتار حرارتي آن ها به منظور تعيين سيكل عمليات حرارتي بهينه براي لايه هاي مختلف پوشش، اقدام به ايجاد پوشش گرادياني تابعي HA-TiO2 ( TiO2۱۰۰٪، TiO2۵۰٪- HA۵۰٪، ۱۰۰٪HA) برروي زيرلايه Ti-6Al-4V گرديد. با تهيه پوشش تك لايه HA و پوشش دولايه HA-TiO2 به عنوان نمونه هاي شاهد، و انجام آزمون هاي مكانيكي و الكتروشيميايي برروي اين سه دسته از نمونه ها، به بررسي اثر گراديان تابعي بر خواص پوشش پرداخته شد. نتايج آزمونهاي XRD و FTIR نشان داد، محصول سل هاي سنتز شده داراي تركيب فازي صحيح بوده و ابعاد كريستاليت هاي سازنده آن ها در محدوده نانومتري مي باشد. با استفاده از نتايج آناليزهاي حرارتي (DSC و STA) و آزمون هاي XRD و FTIR در دماهاي مختلف، سيكل عمليات حرارتي بهينه براي هر لايه از پوشش تعيين گرديد. آزمون XRF نشان داد سيكل انتخاب شده براي عمليات حرارتي پوشش HA مناسب بوده و موجب توليد HA با كاربرد زيستي مي گردد. تصاوير SEM نشان داد گرادياني نمودن تركيب پوشش باعث افزايش انسجام و يكپارچگي پوشش شده و اتصال آن به زيرلايه را بهبود مي بخشد. آزمون نانوخراش نشان داد استحكام چسبندگي هر سه پوشش مناسب مي باشد. با اين حال مقاومت به خراش پوشش گرادياني بيش از پوشش دو لايه HA-TiO2 و مقاومت به خراش پوشش دو لايه بيش از پوشش تك لايه HA بود. آزمون هاي خوردگي نشان دادند اعمال پوشش HA و ارتقا كيفيت آن تمايل ترموديناميكي زيرلايه نسبت به خوردگي در محلول SBF را كاهش مي دهد.

1397/10/29

Evaluation of the microstructure and properties of nanostructured functionally graded HA-TiO2 coating applied on Ti-6Al-4V substrate by sol-gel method

1/19/2019 12:00:00 AM

Nowadays, reducing the time of fixation of titanium implants in the host tissue from the perspective of the patient, the surgeon and the manufacturer is very important.coating the surface of the implant with bioactive materials like hydroxyapatite (HA) is one of the most common methods to achieve this goal. The stability of HA coatings has always been a challenge. The use of the middle layer of TiO2 reduces the properties difference between the ceramic coating and the metal substrate. The properties of the HA-TiO2 coating system are expected to be enhanced by gradually changing the coating composition and creating a HA-TiO2 functional gradient coating. In present study, the HA and TiO2 sols prepared and the necessary tests done, to ensure the desired phase are obtained from the sols. their thermal behavior is investigated in order to determine the optimal heat treatment cycle for the coating layers cover the Ti-6Al-4V substrate as a HA-TiO2 functional gradient coating (100% TiO2, 50% TiO2 -50% HA, 100% HA). Monolayer HA coating and bilayer HA-TiO2 coating prepared as control samples. By performing mechanical and electrochemical tests on three groups of samples, the effect of functional gradient on coating properties studied. FTIR and XRD tests indicate that the synthesised sols have correct phase composition and the dimensions of their crystallites are in nanometer scale. Thermal Analysis (DSC and STA) along with XRD and FTIR results, used to determine the optimal heat treatment cycle for each layer of coating. The XRF test revealed the chosen cycle for thermal treatment of the HA coating causes the production of HA with biological application. SEM images showed that gradient composition of the coating improves the coherence and integrity of the coating and improves its bonding to the substrate. The nanoscratch test indicates that the adhesion strength of all three coatings is appropriate. However, the scratch resistance of the gradient coating was better than bilayer HA-TiO2 coating and for bilayer coating was higher than monolayer HA coating. Corrosion tests showed that applying HA coating and improving its quality by adding TiO2 intermediate layer and changing its composition gradually, reduces the thermodynamic tendency of the substrate to corrode in SBF solution.