生醫鈦金屬介紹與應用

授課教師：林鴻儒 教授 報 告 者：陳維翰 報告日期： 103 年 5 月 20 日

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一、前言

二、鈦主要之特性

三、生醫鈦金屬介紹

大綱

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一、前言

銀白色的鈦是 20 世紀出現的最引人注目的新型工業金屬，鈦之工業化生產至今僅有半世紀歷史， 現已成為優質輕型結構材料、新型的功能材料和重要的生醫材料。

鈦兼有合金鋼、不銹鋼及鋁材的許多優點， 是一種可在太空、陸地、海洋及人體中廣泛應用的「全能金屬」，可說是當代最具技術魅力的金屬材料。

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二、鈦主要之特性

1. 輕量、高比強度 鈦合金比強度 ( 強度 / 密度 ) 居結構用金屬之冠，約為鋁的 3 倍。

2. 耐蝕性極佳 對鹽酸、硫酸之耐蝕性優於沃斯田系不銹鋼，次於鎳基超合 金。

3. 無磁性、無毒性 不會被磁化。生物相容性高，在人體內不析出離子，為醫療 植體、製藥理想材料。

4. 耐熱性佳 高溫強度可達 550 (℃ 鋁約 150℃ ，不銹鋼約 310 )℃ 。

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5. 抗阻尼性能 鈦受到機械振動與鋼、銅相比，其自身振動衰減時間最長。6. 特種功能材料 (1) 形狀記憶性— Ti-Ni 合金為使用最廣之形狀記憶合金。 (2) 抗菌性—紫外線照射下具有光催化反應，能抗菌、 抗銹、除臭、防汙，屬於梯度功能材料。7. 活性高、熔點高 (1668 )℃ 高溫易與氧、氮、氫、碳形成固溶體而變脆，冶煉、鑄造、

軋延製程複雜，生產成本高。

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依鈦合金型態之分類

α 型合金

near α 合金 β 型合金

near β 合金

α + β 合金

高溫應用型

中高強度應用型

高強度應用型

Ti-6Al-4V 、 Ti-662 等

Ti-5Al-2.5Sn 、 Ti-8Al-1Mo-1V等

Ti-10-2-3 、 Ti-13-11-3 等

合金代表

三、生醫鈦金屬介紹

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α 與 β 相轉變溫度 882°C

隨 α 與 β 合金穩定元素添加 的不同，其相變化溫度將隨 之上升與下降

882°C

鈦合金相平衡示意圖

三、生醫鈦金屬介紹

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三、生醫鈦金屬介紹

Ti-6Al-4V 由 β 轉換溫度緩慢冷卻與 α 相關係圖

當溫度在 Tβ以上時

隨溫度下降形成初析 α 相

α 相成核，藉由擴散作用與 β 相原子排列約束下， α 相 以板狀方式成長 α /β交替之層狀結構

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變態 β 相及晶界 α 相 等軸 α存在變態 β 相基地

Ti-6Al-4V典型金相圖

緩冷下的層狀組織 傳統熱作之等軸組織

三、生醫鈦金屬介紹

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各類鈦合金性能差異

三、生醫鈦金屬介紹

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鈦及鈦合金的規格及代表性用途規格 分類 代表用途

純 鈦

ASTM Grade 1 無合金元素 99.5 Ti

飛機機體、海水用零組件等。

ASTM Grade 2無合金元素

99.2 Ti

人工植牙、飛機引擎、化學零組件等，強度及成形性比 Grade 1 優良。

ASTM Grade 3 無合金元素 99.1 Ti

飛機零組件、冷凝器等，與 Grade

1 、 2 相比，成形性低而強度高。

ASTM Grade 4無合金元素 99.0 Ti

人工關節、高速送風機、氣體壓縮機，強度在純鈦當中屬最強，成形性尚可。

三、生醫鈦金屬介紹

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三、生醫鈦金屬介紹

規格 分類 代表用途

低 合 金 鈦

ASTM Grade 7輕合金

99.2 Ti-0.15Pd

在化學反應工業中，液體有輕還原性或在氧性與還原性之間變化的場合具優良耐蝕性，因添加Pd 而提高了耐間隙腐蝕性，成形性優良。

ASTM Grade 11輕合金

99.5 Ti-0.15Pd與 Grade 7 同。

ASTM Grade 12輕合金

98.9 Ti-0.8Ni-0.3Mo與 Code 12 同。 12

三、生醫鈦金屬介紹 鈦及鈦合金的規格及代表性用途

規格 分類 代表用途

鈦 合 金

Ti-6Al-4V

鈦合金

目前學術研究與臨床應用上相當廣泛，並已量產化之鈦合金。

Ti-15Mo

新型開發或改良之鈦合金Ti-13Nb-13Zr

Ti-6Al-7Nb

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三、生醫鈦金屬介紹

根據 ASTM 可發現鈦合金其楊

係數均較其他生醫植入金屬 優異

因其楊氏係數與骨頭相近較不易產生應力遮蔽現象

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三、生醫鈦金屬介紹

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三、生醫鈦金屬介紹

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