DEVELOPMENT OF NANOSTRUCTURED Ti AND Nb-BASED ALLOYS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF tot-Hussein_thesis_18_May_2015_-ISA.pdf Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

يفضل التيتانيوم وسبائكه فى المجال الطبى وطب الاسنان مقارنة بالسبائك التقليدية وذلك بسبب خصائصه الميكانيكية الجيدة والتوافق الحيوى . تم استخدام سبائك التيتانيوم مع اضافة عناصر مثل الالمونيوم والفاناديوم والكروم والنيكل , ومع ذلك فان هذه العناصر لها تاثير سلبى يعيق الاستفادة من هذه السبائك مثل السمية والسمية الوراثية والتى تؤدى الى خفض التوافق الحيوى . بالاضافى الى ذلك فان الاندماج العظمى للمواد المطورة حديثا للانسجة هى واحدة من الاهداف الرئيسية فى ابحاث المواد الطبية لتطبيقات العظام والاسنان للحصول على تفاعل معزز مع الخلايا. تركز هذه الرسالة على تطوير سبائك التيتانيوم والنيوبيوم ذات البنية النانومترية من عناصر غير سامة وتتميز بخصائص ميكانيكية محسنة للتطبيقات الطبية الحيوية باستخدام عملية التسابك الميكانيكى والتلبيد بشرارة البلازما . تم تصنيع مركبات مختلفة باستخدام عملية التسابك الميكانيكى ثم تم عمل توصيف باستخدام حيود الاشعة السينية والمجهر الالكترونى الماسح والمنتقل . بعد ذلك تم عمل تلبيد للسبائك باستخدام شرارة البلازما . تم عمل فحص للبنية المجهرية والخواص الميكانيكية للعينات الملبدة لدراسة تاثير متغيرات عملية التلبيد بالشرارة الكهربائية على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية باستخدام حيود الاشعة السينة و المجهر الالكترونى الماسح والمنتقل ومقياس فيكر للصلادة وقياسات العلامة النانومترية. اظهرت نتائج سبيكة النيوبيوم زركونيوم نجاح تصنيع سبيكة النيوبيوم زركونيوم ذات بينية نانومترية بمتوسط حجم حبيبات يتراوح من 100 الى 300 نانوميتر للمرة الاولى باستخدام عمليات التسابك الميكانيكى والتلبيد بشرارة البلازما الكهربائية.صلادة فيكرز للعينة 584 وكثافة نسبية تقدر بنحو 97.9 % . ا وضحت النتائج ايضا ان زيادة الطاقة لنظام النيوبيوم زركونيوم باستخدام عملية التسابك الميكانيكى ينتج عنه تكوين محلول ذائب و طور غير متبلور والذى يتبلور ميكانيكيا الى طور متمركز الوجه مع الاستمرار فى عملية التسابك الميكانيكى. الطور الغير متبلور تم الحصول عليه بعد وقت اقل فى عملية التسابك الميكانيكى مقارنة بالطور متمركز الوجه. بالاضافة الى ذلك تم الحصول على طور غير متبلور لاول مرة عند تركيز منخفض للزركونيوم. اظهرت النتائج لسبيكة التيتانيوم نيوبيوم زركونيوم تصنيع سبيكة ذات بنية نانومترية من عناصر غير سامة بنجاح بتكوين مجهرى بيتا مع الفا وخصائص ميكانيكية محسنة للمرة الاولى باستخدمات عمليات التسابك الميكانيكى والتلبيد بشرارة البلازما الكهربائية. اوضحت النتائج الحصول على بنية بكثافة 100% تقريبا باستخدام التلبيد بالشرارة الكهربائية عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية . التركيب المجهرى للسبيكة يتكون من مصفوفة من بيتا تيتانيوم والتى تحيط بتيتانيوم الفا. كما ان التركيب المجهرى للسبيكة متجانس كيميائيا ذو صلادة فيكرز 657. السبيكة النانومترية ذات حجم حبيبات للطور الفا الموزع يتراوح بين 70 و140 نانوميتر والتى تعتبر واعدة لتعزيز وزيادة التصاق العظام ( الخلايا التى تكون مصفوفة العظام) وتؤدى الى تعزيز التفاعل مع الخلايا. السبيكة ااتى تم تطويرها ذات البنية النانومترية مقترحة للتطبيقات الطبية الحيوية كنسيج فى تطبيقات العظام والاسنان.

English Abstract

Titanium and Titanium-based alloys are generally preferred in the medical and dentistry fields compared to conventional alloys due to their enhanced mechanical properties and biocompatibility. Ti-based alloys were utilized with the addition of elements like Al, V, Cr, and Ni. However, it was reported that these elements have adverse effects on the utilization of these particular alloys, such as toxicity and genotoxicity which ultimately lead to lower biocompatibility. In addition, the osseointegration of such newly developed implant materials is one of the main goals of biomaterials research for dental and orthopedic applications to obtain enhanced interaction with cells. This dissertation focuses on developing nanostructured Ti and Nb-based alloys with non-toxic elements and enhanced mechanical properties for biomedical applications by mechanical alloying and spark plasma sintering. Different compositions were synthesized by ball milling and then characterized using XRD, TEM, and SEM. Afterwards, selected milled powders were sintered using spark plasma sintering. Microstructural evaluation and mechanical characterization were carried out for the sintered samples to investigate the effect of spark plasma sintering parameters on the microstructure and mechanical properties of the sintered alloys using XRD, FE-SEM, TEM, micro hardness, and nanoindentation measurements. The results for the binary Nb-Zr system showed that a nanostructured Nb-Zr alloy with an average grain size of between 100-300 nm was successfully synthesized for the first time using the MA-SPS techniques. A maximum hardness and relative density of 584 HV and 97.9% were achieved respectively. The results also showed that the increased energy of the system due to MA led to the formation of solid-solutions at earlier time, then amorphous phase with further milling, which mechanically crystallized to an FCC phase on continued milling. In addition, an amorphous phase at Zr contents lower than 40% was achieved for the first time. The results of ternary Ti-Nb-Zr system showed that nanostructured Ti20Nb13Zr at% near-β alloy with non-toxic elements and enhanced mechanical properties were successfully fabricated for the first time using the MA-SPS techniques. The results showed that at SPS temperature of 1200 °C, a nearly full density structure was obtained. The microstructure of the obtained alloy consist of a β-Ti (bcc) matrix which surround a α-Ti (hcp) region. The obtained alloy was chemically homogenized with a micro hardness value, HV of 657. The obtained nanostructured alloy having an average grain size of the dispersed α phase of 70 -140 nm. The nanostructured alloy increases the adhesion of osteoblast which will lead to enhanced interaction with cells compared to their coarse-grained counterparts. The developed nanostructured Ti–20Nb–13Zr at% alloy is a potential candidate for biomedical applications such as implant material for dental and orthopedic applications.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Aqeel, Nasser
Committee Members:	Suryanarayana, Challapalli and Laoui, Tahar and Hassan, Syed
Depositing User:	Mohamed Ab Hussein (g201106290)
Date Deposited:	24 May 2015 12:51
Last Modified:	01 Nov 2019 15:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139556