多孔钛及钛合金材料的特性及制备方法

多孔材料是一种新型的结构与功能材料，它可以在较轻的重量下有效地发挥其力学性能与结构性能。与实体材料相比，这些特殊的轻质材料具有优良的综合力学性能。钛及钛合金具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围、良好的耐腐蚀性和生物相容性等优异性能。多孔泡沫钛及钛合金融合了钛合金与多孔材料的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，同时保持高的韧性和耐腐蚀性。因此，泡沫钛及其合金在一些特殊领域具有重要的应用价值，特别是在生物医用行业，由于多孔钛兼有高生物相容性和优秀的机械性能，所以优势十分明显。相比整体多孔钛材，仅在表面进行多孔化处理的钛材具备更高的机械强度，可承受更大的生理负荷，因而在医学领域展现出更为广阔的应用前景。

多孔材料具有开放多孔状结构，允许新骨细胞组织在内生长及体液的传统，而且多孔材料杨氏模量可以调整孔隙率达到与自然骨相匹配，提高其生物力学相容性。多孔钛具有优异的生物相容性和良好的耐腐蚀性而引起医学界广泛关注。多孔钛板为临床治疗早期股骨头坏死提供了一个新的选择，减缓了疾病的进展，推迟了关节置换的时间，是目前骨科治疗早期股骨头坏死的有效方法。现代医学认为股骨头坏死的治疗方法是手术治疗。国内外专家均主张早期坏死采取姑息手术，如：核心减压、带血管骨移植术、血管植人术、骨支架术等。晚期不可避免的行人工关节置换术等。但总体看来，手术疗法因其痛苦大、费用高、恢复期长、局限性广、远期效果不能尽善尽美等而不被众多患者所接受。因此采用有效的方法防止股骨头坏死的发生和发展，促进坏死区新骨再生成为了骨科医师关注的重点。

目前，制备多孔钛材料的方法有以下几类：
1、金属沉积法：金属沉积法主要有真空蒸镀法、电沉积法、等离子喷涂及反应沉积法等， 其中最常见的沉积法是等离子喷涂法。通常，等离子喷涂在制备薄膜或涂层方面有独特的优势，该方法也能用来加工多孔金属。
2、固态烧结法：该方法主要有金属堆积烧结法、添加造孔剂法、浆料发泡烧结法、模板法、燃烧合成法等。
a.金属堆积烧结法是将堆积的空心球或粉末进行高温烧结， 通过高温扩散形成冶金结合制备多孔金属的方法。除此之外，也可采用金属丝缠绕法形成坯料再烧结制备多孔材料。
b.该方法是将造孔剂与钛粉按一定比例均匀混合， 然后再烧结前或烧结后通过加热或溶解等方法去除造孔剂从而得到多孔结构。该方法适用面广，制备工艺简单，孔隙分布均匀。
c.浆料发泡法是以金属粉末为原料， 通过添加发泡剂等配成浆料，再加入模具中进行加热，由于添加剂和发泡剂的作用而产生气体开始膨胀， 经烧结后便可得到具有多孔金属。
d.模板法也可用来制备多孔钛， 它一般是以海绵为模板，将钛浆料浸渍于模板中，待干燥后再加热除去模板，最后经高温烧结获得多孔钛及其合金。
3、液态凝固法:根据加热源的不同，可分为电子束加热成型法与激光工程净成型法。
a.电子束加工。电子束加工是利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的特种加工方法。该方法也是快速原形加工技术中常用的方法之一。
b.激光工程净成形法。激光工程净成形法同样也是快速成形技术的一种，该技术借助计算机辅助设计，利用快速原型加工技术将三维实体模型转化成平面信息后再生成数控加工代码， 最后传给控制中心并对激光加热熔化的原材料进行逐层堆积垒加制备出实体零件。