專利名稱：多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料技術領域，特別涉及一種生物醫(yī)用多孔鎂和多孔鎂合金 的制備方法。
背景技術：
用于人體硬組織(如骨、關節(jié)、牙根等)修復或替換的外科植入體，是一種與人類 生命和健康密切相關的特殊功能材料，在臨床上有廣泛的應用需求。由于鎂及鎂合金具有 以下性能(1)良好的生物相容性；(2)可完全降解；(3)合適的力學性能，鎂合金的密度與 人骨吻合，彈性模量與自然骨最接近，其比強度比鈦還高；(4)鎂合金成型性好。因此，鎂合 金作為生物醫(yī)用金屬植入材料有明顯的優(yōu)勢。目前，多孔鎂及鎂合金的制備通常采用以下幾種方法(1)發(fā)泡法，直接向金屬液 中加入TiH2、ZrH2, NaCl和CaH2等發(fā)泡劑，在受熱時分解出氣體，冷卻后即形成泡沫材料。 (2)滲流鑄造法，將一定尺寸的固體顆粒(如溶鹽、玻璃、陶瓷等)堆積在一起，然后將熔融 的金屬液澆注到固體顆粒的縫隙中，冷凝后把固體顆粒除掉獲泡沫材料。(3)粉末冶金法， 它是將造孔劑與鎂或鎂合金粉末混合，通過模具成型，然后燒結而成(見《多孔生物鎂的制 備與力學性能研究》)，沈劍等，金屬功能材料第13卷第3期，P9 13)。上述方法存在的 問題是(1)由于鎂及鎂合金易腐蝕，在熔煉中容易與空氣中的氧反應而激烈燃燒，導致制 備工藝復雜；(2)制備多孔鎂的工藝過程中引入了大量的發(fā)泡劑、造孔劑，因而在多孔鎂及 多孔鎂合金材料中易形成氧化物或夾雜物，影響其使用性能。公開號為CN101135012A的專利申請公開了一種粉末壓制制備多孔泡沫鎂的方 法，該方法以鎂合金坯料為原料，通過車削獲取鎂合金粉體，然后采用振動裝料的方式將 鎂合金粉體裝入壓型并進行熱壓，熱壓壓力為20KN/cm2 50KN/cm2，熱壓溫度為300°C 500°C，熱壓結束后，冷卻取出多孔材料，機械加工稱多孔鎂產(chǎn)品。此種方法雖然克服了上述 發(fā)泡法、滲流鑄造法、粉末冶金法存在的不足，但難于控制多孔鎂或多孔鎂合金材料的孔隙 率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，以解決多孔鎂或多 孔鎂合金材料的孔隙率的控制及簡化制備方法的技術問題。本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，以鎂粉或鎂合金粉為原料，采用限 位式模具，所述限位式模具由限位式上壓頭、限位式下壓頭和模具本體組成，限位式上壓 頭、限位式下壓頭均由限位片和壓頭體構成，壓頭體的直徑與模具本體內設置的模腔孔徑 相同且為動配合，限位片的直徑大于壓頭體的直徑，限位片與壓頭體固連或為一體化結 構；工藝步驟如下①原料的計算和稱量
按照計算式m = VX P計算出所需鎂粉或鎂合金粉的質量m，式中，V為限位式模 具模腔中鎂粉或鎂合金粉的體積，P為所制備的多孔鎂要求達到的密度(也可稱為“所制 備的多孔鎂的設計密度”)，根據(jù)鎂粉或鎂合金粉質量的計算值稱量鎂粉或鎂合金粉；②裝料將步驟①所稱量的鎂粉或鎂合金粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體的模腔 之中，然后振動模具本體和限位式下壓頭形成的組合體，當模腔中的鎂粉或鎂合金粉在振 動下流動至表面平整后，安裝限位式上壓頭，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振 動時間至少為1分鐘，以提高粉末分布的均勻性；③燒結將裝好鎂粉或鎂合金粉的模具放入熱壓燒結設備中，抽真空至低于或等于6Pa，在 接觸壓力20Mpa 30Mpa下進行燒結，升溫速度控制在20°C /分鐘 100°C /分鐘，燒結溫 度為300°C 500°C，燒結時間為1分鐘 5分鐘，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔 鎂或多孔鎂合金塊體材料。本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，原料鎂粉或鎂合金粉的粒徑優(yōu)選 100目 500目。本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，其裝料步驟中，對模具的再次振動 時間優(yōu)選2分鐘 3分鐘。本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，限位片的厚度為3mm 5mm。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果(1)由于本發(fā)明所述方法在按照計算式m = VX P計算所需鎂粉或鎂合金粉的 質量的基礎上采用限位式模具裝料和燒結，因而易于控制多孔鎂或多孔鎂合金材料的孔隙 率，實驗表明，所制備的多孔鎂或多孔鎂合金材料的密度與要求達到的密度(或設計密度) P相同或非常接近。(2)本發(fā)明所述方法直接采用鎂粉或鎂合金粉為原料，成型與燒結一步完成，因而 工藝更為簡單，且安全性好。(3)本發(fā)明所述方法不添加造孔劑、發(fā)泡劑以及其他任何助劑，制得的產(chǎn)品成分純 凈，無雜質，是一種非常理想的生物體植入材料，適用于制備心血管支架、骨固定材料、多孔 骨修復材料、牙種植材料、口腔修復材料等外科植入材料。


圖1是本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法的裝料示意圖，該圖還描述了 限位式模具的結構；圖2是限位式模具中的限位式上壓頭、限位式下壓頭的結構示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法的燒結示意圖。圖5是本發(fā)明所述方法制備的多孔鎂塊體的照片。圖中，1-限位式上壓頭、2-限位式下壓頭、3-模具本體、4-鎂粉或鎂合金粉、5-限 位片、6-壓頭體、7-上電極壓桿、8-下電極壓桿、hi-限位式上壓頭或限位式下壓頭的高度、 h2-限位片的厚度、h3-模具模腔中鎂粉或鎂合金粉的高度、h4-模具本體的高度。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法作進一步說明。下 述實施例中，熱壓燒結設備為放電等離子燒結設備(型號SPS1050，由日本住友石炭公司 生產(chǎn))，多孔鎂和多孔鎂合金的孔徑通過掃描電子顯微鏡SEM(型號HITACHI-S4800，由日 本日立公司生產(chǎn))進行觀察分析。實施例1本實施例制備多孔鎂材料，要求所述多孔鎂材料的密度P=O. 5g/cm3。本實施例 以球形霧化鎂粉為原料，其粒徑為100目(即經(jīng)100目篩篩分后所獲粉體)。采用限位式模 具，其結構如圖1、圖2、圖3所示，由限位式上壓頭1、限位式下壓頭2和模具本體3組成，限 位式上壓頭1、限位式下壓頭2均由限位片5和壓頭體6構成，限位片5的直徑大于壓頭體 的直徑，限位片5與壓頭體6為一體化結構。模具本體3的高度h4 = 40mm，模具本體中模 腔的孔徑=20mm,限位式上壓頭1、限位式下壓頭2的高度hi均為20mm，上、下壓頭體6的 直徑均為20mm，且與模腔為動配合，上、下限位片5的厚度h2均為5mm，模腔中鎂粉的高度 h3 為 IOmm0工藝步驟如下①原料的計算和稱量計算所需鎂粉的質量:m= VX P =3. 14X (lcm)2XlcmX0.5g/cm3 = 1.57g，根據(jù) 鎂粉質量的計算值稱量鎂粉；②裝料將步驟①所稱量的鎂粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體3的模腔之中，然后 振動模具本體3和限位式下壓頭2形成的組合體，當模腔中的鎂粉在振動下流動至表面平 整后，安裝限位式上壓頭1，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振動時間為1分鐘；③燒結將裝好鎂粉的模具放入放電等離子燒結設備中，抽真空至6Pa，在接觸壓力20Mpa 下進行燒結，燒結時最大電流為1500A，升溫速度控制在50°C /分鐘，燒結溫度為300°C，保 溫時間為2分鐘，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔鎂塊體材料，如圖5所示，其平均 孔徑300 μ m,孔隙率70 %，密度0. 53g/cm3。實施例2本實施例制備多孔鎂鋅合金材料，要求所述多孔鎂鋅合金材料的密度P = l.Og/ cm3。本實施例以球形霧化鎂鋅合金粉(含鎂94%，含鋅6%)為原料，其粒徑為325目(即 經(jīng)325目篩篩分后所獲粉體)。采用限位式模具，其結構如圖1、圖2、圖3所示，由限位式上 壓頭1、限位式下壓頭2和模具本體3組成，限位式上壓頭1、限位式下壓頭2均由限位片5 和壓頭體6構成，限位片5的直徑大于壓頭體的直徑，限位片5與壓頭體6固連。模具本體 3的高度h4 = 40mm，模具本體中模腔的孔徑=20mm，限位式上壓頭1、限位式下壓頭2的高 度hi均為20mm，上、下壓頭體6的直徑均為20mm，且與模腔為動配合，上、下限位片5的厚 度h2均為5mm，模腔中鎂粉的高度h3為10mm。工藝步驟如下①原料的計算和稱量
計算所需鎂鋅合金粉的質量:m= VX P = 3. 14X (Icm)2X IcmX 1. Og/cm3 = 3. 14g，根據(jù)鎂鋅合金粉質量的計算值稱量鎂鋅合金粉；②裝料將步驟①所稱量的鎂鋅合金粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體3的模腔之 中，然后振動模具本體3和限位式下壓頭2形成的組合體，當模腔中的鎂粉在振動下流動至 表面平整后，安裝限位式上壓頭1，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振動時間為 2分鐘；③燒結將裝好鎂粉的模具放入放電等離子燒結設備中，抽真空至5. 5Pa，在接觸壓力 30MPa下進行燒結，燒結時最大電流為1500A，升溫速度控制在80 V /分鐘，燒結溫度為 400°C，保溫時間為1分鐘，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔鎂鋅合金塊體材料，其 平均孔徑200 μ m，孔隙率50%，密度1. 08g/cm3。實施例3本實施例制備多孔鎂材料，要求所述多孔鎂材料的密度P=L 2g/cm3。本實施例 以普通鎂粉為原料為原料，其粒徑為500目(即經(jīng)500目篩篩分后所獲粉體)；采用限位式 模具，其結構如圖1、圖2、圖3所示，由限位式上壓頭1、限位式下壓頭2和模具本體3組成， 限位式上壓頭1、限位式下壓頭2均由限位片5和壓頭體6構成，限位片5的直徑大于壓頭 體的直徑，限位片5與壓頭體6為一體化結構。模具本體3的高度h4 = 40mm，模具本體中 模腔的孔徑=20mm,限位式上壓頭1、限位式下壓頭2的高度hi均為20mm，上、下壓頭體6 的直徑均為20mm，且與模腔為動配合，上、下限位片5的厚度h2均為5mm，模腔中鎂粉的高 度 h3 為 10mm。工藝步驟如下①原料的計算和稱量計算所需鎂粉的質量:m= VX P = 3. 14X (Icm)2X IcmX 1. 2g/cm3 = 3. 768g，根 據(jù)鎂粉質量的計算值稱量鎂粉；②裝料將步驟①所稱量的鎂粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體3的模腔之中，然后 振動模具本體3和限位式下壓頭2形成的組合體，當模腔中的鎂粉在振動下流動至表面平 整后，安裝限位式上壓頭1，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振動時間為3分鐘；③燒結將裝好鎂粉的模具放入放電等離子燒結設備中，抽真空至4. 8Pa，在接觸壓力 30Mpa下進行燒結，燒結時最大電流為1500A，升溫速度控制在100°C /分鐘，燒結溫度為 500°C，保溫時間為5分鐘，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔鎂塊體材料，平均孔徑 100 μ m，孔隙率 30%，密度 1. 25g/cm3。實施例4本實施例制備多孔鎂材料，要求所述多孔鎂材料的密度P=O. 7g/cm3。本實施例 以球形霧化鎂粉為原料，其粒徑為325目(即經(jīng)325目篩篩分后所獲粉體)。采用限位式模 具，其結構如圖1、圖2、圖3所示，由限位式上壓頭1、限位式下壓頭2和模具本體3組成，限 位式上壓頭1、限位式下壓頭2均由限位片5和壓頭體6構成，限位片5的直徑大于壓頭體的直徑，限位片5與壓頭體6為一體化結構。模具本體3的高度h4 = 40mm，模具本體中模 腔的孔徑=20mm,限位式上壓頭1、限位式下壓頭2的高度hi均為20mm，上、下壓頭體6的 直徑均為20mm，且與模腔為動配合，上、下限位片5的厚度h2均為3mm，模腔中鎂粉的高度 h3 為 6mm。工藝步驟如下①原料的計算和稱量計算所需鎂粉的質量:m= VX P =3. 14X (Icm)2XO. 6cmX0. 7g/cm3 = 1. 32g，根 據(jù)鎂粉質量的計算值稱量鎂粉；②裝料將步驟①所稱量的鎂粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體3的模腔之中，然后 振動模具本體3和限位式下壓頭2形成的組合體，當模腔中的鎂粉在振動下流動至表面平 整后，安裝限位式上壓頭1，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振動時間為1分鐘；③燒結將裝好鎂粉的模具放入放電等離子燒結設備中，抽真空至5. 5Pa，在接觸壓力 25Mpa下進行燒結，燒結時最大電流為1500A，升溫速度控制在100°C /分鐘，燒結溫度為 400°C，保溫時間為3分鐘，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔鎂塊體材料，其平均孔 徑 200 μ m，孔隙率 60 %，密度 0. 72g/cm3。
權利要求
一種多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，其特征在于以鎂粉或鎂合金粉為原料，采用限位式模具，所述限位式模具由限位式上壓頭(1)、限位式下壓頭(2)和模具本體(3)組成，限位式上壓頭(1)、限位式下壓頭(2)均由限位片(5)和壓頭體(6)構成，壓頭體(6)的直徑與模具本體(3)內設置的模腔孔徑相同且為動配合，限位片(5)的直徑大于壓頭體的直徑，限位片(5)與壓頭體(6)固連或為一體化結構；工藝步驟如下①原料的計算和稱量按照計算式m＝V×ρ計算出所需鎂粉或鎂合金粉的質量m，式中，V為限位式模具模腔中鎂粉或鎂合金粉的體積，ρ為所制備的多孔鎂要求達到的密度，根據(jù)鎂粉或鎂合金粉質量的計算值稱量鎂粉或鎂合金粉；②裝料將步驟①所稱量的鎂粉或鎂合金粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體(3)的模腔之中，然后振動模具本體(3)和限位式下壓頭(2)形成的組合體，當模腔中的鎂粉或鎂合金粉在振動下流動至表面平整后，安裝限位式上壓頭，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振動時間至少為1分鐘；③燒結將裝好鎂粉或鎂合金粉的模具放入熱壓燒結設備中，抽真空至低于或等于6Pa，在接觸壓力20MPa～30MPa下進行燒結，升溫速度控制在20℃/分鐘～100℃/分鐘，燒結溫度為300℃～500℃，燒結時間為1分鐘～5分鐘，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔鎂或多孔鎂合金塊體材料。
2.根據(jù)權利要求1所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，其特征在于原料鎂粉或鎂合 金粉的粒徑為100目 500目。
3.根據(jù)權利要求1或2所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，其特征在于裝料步驟中， 對模具的再次振動時間為2分鐘 3分鐘。
4.根據(jù)權利要求1或2所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，其特征在于所述限位片 (5)的厚度為3mm 5mm。
5.根據(jù)權利要求3所述多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，其特征在于所述限位片(5) 的厚度為3mm 5mm。
全文摘要
一種多孔鎂和多孔鎂合金的制備方法，以鎂粉或鎂合金粉為原料，采用限位式模具，工藝步驟如下①按照計算式m＝V×ρ計算出所需鎂粉或鎂合金粉的質量m，根據(jù)鎂粉或鎂合金粉質量的計算值稱量鎂粉或鎂合金粉；②將步驟①所稱量的鎂粉或鎂合金粉裝入已安裝限位式下壓頭的模具本體的模腔之中，然后振動模具本體和限位式下壓頭形成的組合體，當模腔中的鎂粉或鎂合金粉在振動下流動至表面平整后，安裝限位式上壓頭，繼后翻轉所述模具并再次對模具進行振動，振動時間至少為1分鐘；③將裝好鎂粉或鎂合金粉的模具放入熱壓燒結設備中進行燒結，燒結結束后，隨爐冷卻至室溫即制得多孔鎂或多孔鎂合金塊體材料。
文檔編號C22C1/08GK101942581SQ20101050290
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權日2010年10月11日
發(fā)明者馮威, 劉穎, 田虎, 連利仙 申請人:四川大學