Skip to main content
SUPERVISOR
محمد رفيعي نيا (استاد راهنما) کيوان رئيسي (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammadbasir Basiriani
محمدبصير بصيرياني

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Synthesis of nanocrystal barium titanate coating via electrophoretic method on Ti6Al4V alloy and evaluation of its properties
: Recently the use of bioceramic coatings on metallic substrates has been developed. Comparing to metallic substrates, bioactive ceramic coatings not only create a more suitable bonding to the bone tissue, but also has an important role in protecting against stresses due to its close elastic modulus to the bone tissue. The objective of this study was to synthesize nanoscale Barium Titanate ceramic, coating Ti6Al4V substrate by it and characterization of coating properties. Barium Titanate nanoparticles were synthesized by using sol-gel process. Transmission Electron Microscope (TEM) pictures showed that the size of the particles are about 20 to 40 nanometers. X-Ray Diffraction Pattern of synthesized powder and applied coatings which were prepared by electrophoresis deposition, indicated that Barium Titanate structure has been achieved. Barium Titanate nanoparticles became suspend in 2-Methoxy Ethanol/Acetyl Acetone solvent and deposition occurred in the optimum time and voltage, which were 5 minutes and 60 volts, respectively. Then the achieved wet coating has been heat treated. In order to evaluate the mechanical properties of coatings, adhesion strength, fracture toughness and nano-indentation tests carried out. Also, samples were immersed in the simulated body fluid (SBF) for certain periods of time for evaluating of biological properties. Measuring the ionic concentration changes in the SBF, elemental analysis and determination of functional groups at the surface of the coatings has been carried out after forming hydroxyapatite depositions. By calculating the length of the radial cracks created by Vickers indenter, coating fracture toughness intended to be 0.145 MPa?m. Maximum adhesive strength has belong to sand blasted sample using coarse sand which achieved 14.6 MPa and the minimum adhesive strength belong to the smoothed sample by emery-paper which achieved 6.2 MPa. The optimum elastic modulus of coating was 24.25 ± 1.7 GPa. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), inductively coupled plasma spectroscopy (ICP) and scanning electron microscopy (SEM) indicated that bone-like apatite formed on the surface of coatings. Toxicity test results showed that Barium Titanate coating on the Ti6Al4V has no cytotoxicity during 7 days. According to the achieved results, it looks like Barium Titanate coating applied by electrophoresis process can be used as a bioceramic coating for implants. Keywords: Barium Titanate nanoparticles, Sol-Gel, Ti6Al4V alloy, Electrophoretic deposition, nanostructured coatings, bioactivity
چکيده امروزه استفاده از پوشش‌هاي بيوسراميکي روي زيرلايه‌هاي فلزي گسترش چشمگيري يافته است. پوشش‌هاي زيست فعال سراميکي علاوه بر ايجاد هم‌بندي مناسب‌تر با بافت استخواني نسبت به زيرلايه‌هاي فلزي، به دليل داشتن مدول الاستيک نزديک به بافت استخواني بدن، در جلوگيري از پديده‌ي محافظت در برابر تنش نقش مهمي ايفا مي‌کنند. هدف از اين پژوهش سنتز سراميک باريم تيتانات در مقياس نانو، پوشش‌دهي آن روي زيرلايه آلياژ Ti6Al4V و بررسي خواص پوشش اعمال شده به ويژه خواص زيستي آن بود. بدين منظور در مرحله نخست، نانو ذرات باريم تيتانات به روش سل- ژل توليد شدند. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) نشان داد که اندازه دانه هاي بدست آمده در حدود 20 الي 40 نانومتر مي‌باشند. الگوي پراش پرتوي ايکس پودر تهيه شده و پوشش‌هاي اعمالي توسط روش رسوب گذاري الکتروفورتيک، بيانگر دست‌يابي به ساختار باريم تيتانات بود. نانو ذرات باريم تيتانات در حلال 2- متوکسي اتانول/ استيل استون به صورت سوسپانسيون در آمده و رسوب گذاري در زمان و ولتاژ بهينه‌ي 5 دقيقه و 60 ولت صورت پذيرفت. سپس پوشش تر حاصل شده، تحت عمليات حرارتي قرار گرفت. براي ارزيابي خواص مکانيکي پوشش‌ها، آزمون‌هاي استحکام چسبندگي، چقرمگي شکست و دندانه گذاري نانو انجام گرفت. همچنين جهت بررسي خواص زيستي، پوشش‌ها در بازه‌هاي زماني معين، درون محلول شبيه سازي شده بدن (SBF) غوطه ور شدند. اندازه گيري تغييرات غلظت يوني محلول شبيه سازي شده بدن، آناليز عنصري و تعيين گروه‌هاي عاملي سطح پوشش‌ها پس از تشکيل رسوبات هيدروکسي آپاتيت انجام گرفت. با محاسبه طول ترک‌هاي شعاعي حاصل از فرورونده ويکرز، چقرمگي شکست پوشش MPa?m 145/0 محاسبه شد. بيشترين استحکام چسبندگي مربوط به نمونه ماسه پاشي شده با ماسه درشت به ميزان 6/14 مگاپاسکال و کمترين مقدار مربوط به نمونه سنباده زده شده به مقدار 2/6 مگاپاسکال بود. مدول الاستيک پوشش بهينه برابر 7/1± 25/24 گيگاپاسکال اندازه گيري شد. نتايج آزمون‌هاي طيف سنجي فروسرخ با تبديل فوريه (FTIR)، تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDS)، طيف سنجي پلاسماي جفت شده القايي (ICP) و تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي (SEM) از رسوبات تشکيل شده روي سطح پوشش‌ها پس از غوطه وري در محلول شبيه سازي شده بدن، حاکي از ايجاد آپاتيت شبه استخواني روي سطح پوشش‌ها بود. نتايج بررسي سميت سلولي پوشش باريم تيتانات ايجاد شده روي آلياژ Ti6Al4V، نشان دهنده‌ي عدم سميت سلولي در طي زمان بررسي 7 روز بود. با توجه به نتايج بدست آمده، به نظر مي‌رسد پوشش باريم تيتانات اعمالي به روش الکتروفورتيک مي‌تواند به عنوان يک پوشش بيوسراميکي روي کاشتني ها مورد استفاده قرار گيرد. کلمات کليدي: نانو ذرات باريم تيتانات، سل-ژل، آلياژ Ti6Al4V، رسوب گذاري الکتروفورتيک، پوشش نانوساختار، زيست فعالي

تحت نظارت وف ایرانی