NiTi形状记忆合金的超弹性及医学应用研究

论文摘要

NiTi形状记忆合金是一种功能材料,集形状记忆效应、超弹性和良好的生物相容性于一体,在医学领域显示出诱人的应用前景。NiTi合金作为介入医疗器械的工作原理绝大多数是利用其良好的非线性超弹性。而在NiTi合金医用器械生产时,通常要经过管材拉拔、板材轧制以及后续热处理等过程。如何调节材料的微结构、相变温度和力学性能,以保证其在体温下获得最佳的超弹性并满足医用需求是当前需要解决的问题。针对上述问题,本文研究了冷轧再结晶织构特征对材料超弹性相变应变的影响;研究了强磁场中温时效富镍NiTi合金对Ti3Ni4析出相变体生长取向及力学性能的影响;研究了NiTi合金编织支架的定型处理工艺,并在此基础上对支架单元的力学性能响应曲线进行了有限元模拟。主要结论如下:NiTi合金经30%冷轧变形后,在400℃退火后开始回复,600℃完全再结晶。大变形产生较高的位错密度抑制了马氏体相变的发生,直到400℃和500℃退火处理后样品发生B2←→R←→B19’二阶相变,600℃完全再结晶后样品发生B2←→B19’一阶相变。在冷轧-回复-再结晶过程中,NiTi合金的织构组分发生显著变化。冷轧后为{223}<110>织构和（322）面织构,经300-500℃退火后转变为近{111}面织构和（132）[023]织构,完全再结晶后转变为近{122}<223>织构。再结晶退火后NiTi合金的力学性能存在各向异性,其超弹性相变应变受材料的织构特征和再结晶晶粒尺寸影响显著。Ti-50.6 at.%Ni合金经500℃时效2.5 h后,Ti3Ni4相主要沿晶界析出,不同磁感应强度下时效后样品均发生三阶段相变,包括晶界附近发生的B2←→R、R←→B19’两阶相变和晶粒内部发生的B2←→B19’单阶相变,强磁场的施加并未改变Ti3Ni4析出相的形核位置。但磁场力的作用改变了析出相变体的局部应变,造成了Ti3Ni4相变体的选择性生长,即易于沿着平行于磁场合力方向析出生长,同时抑制了其它取向变体的生长;部分相互平行且相邻的Ti3Ni4相发生相互搭接而生长成一体。强磁场施加造成Ti3Ni4析出相变体选择性生长,减少了晶界附近析出相变体的数量,造成时效处理后B2←→B19’的相变温度随磁感应强度的增加而降低,同时由于析出相定向分布导致材料力学性能产生各向异性。对于超弹性NiTi合金编织支架单元来讲,定型温度是影响其定型效果的主要因素。满足支架单元定型要求的温度在450-550℃之间,经500和550℃时效处理后的定型效果最为稳定,与预期夹角差值不超过3°。定型处理对材料的相变温度Af影响较大,随时效时间的延长,Af温度呈增加趋势,且在400℃时效时达到峰值。体温测试时,平台应力随着时效时间延长而降低,且除500、550℃时效120 min和180 min的样品外,其它样品均具有非常好的可回复性能。针对此材料成分、定型结构的NiTi合金编织支架单元,推荐选取500℃作为定型处理温度,为了获得最佳的定型效果和力学性能,定型时间不宜超过60 min。利用有限元方法对最佳定型处理工艺的支架单元进行数值模拟,获得其在压缩-释放过程中的力学性能响应曲线。模拟结果很好的表征了支架单元的实际变形过程,当支架单元的拉、压系数比α取值为0.16时,模拟结果与实测结果吻合最好。在α取值一定时,随着时效时间的延长,支架单元的刚度降低,其在压缩过程中受到的最大力降低,循环过程中弹性能储存效率也相应降低。这表明在确定适宜的定型温度后,适当的延长定型时效时间可以降低支架单元的刚度,提高其柔顺性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 生物医学材料的发展概况
• 1.1.1 生物医学材料的概念及分类
• 1.1.2 医用NiTi合金的发展概况
• 1.1.3 NiTi合金的医学应用
• 1.2 NiTi合金支架
• 1.2.1 NiTi合金支架的发展和分类
• 1.2.2 球囊膨胀支架与自膨胀支架比较
• 1.2.3 自膨胀支架设计
• 1.3 NiTi合金的医用基础
• 1.3.1 生物相容性
• 1.3.2 物理性能
• 1.3.3 马氏体相变
• 1.3.4 形状记忆效应与超弹性
• 1.4 NiTi合金超弹性影响因素及性能评价
• 1.4.1 非线性超弹性影响因素
• 1.4.2 NiTi合金性能评价
• 1.5 本文研究背景和研究内容
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究内容
• 2 冷轧再结晶织构对NiTi合金性能的影响
• 2.1 织构基础
• 2.1.1 织构类型
• 2.1.2 织构的表示方法
• 2.2 样品制备及实验方法
• 2.2.1 样品制备
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 冷轧NiTi合金及退火的金相显微组织
• 2.3.2 NiTi合金的布氏硬度
• 2.3.3 XRD结果分析
• 2.3.4 退火过程的织构转变
• 2.3.5 相变行为分析
• 2.3.6 冷轧及回复样品的TEM观察
• 2.3.7 应力诱发相变应变测试
• 2.4 小结
• 3 强磁场中温时效对NiTi合金性能的影响
• 3.1 引言
• 3.1.1 强磁场概述
• 3.1.2 强磁场效应及其对固态相变的影响
• 3.2 强磁场设备及实验
• 3.2.1 强磁场设备简介
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 分析检测
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 强磁场对相变行为的影响
• 3.3.2 强磁场对微观组织的影响
• 3.4 小结
• 4 NiTi合金支架单元定型及力学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料和实验方法
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 时效处理对定型效果的影响
• 4.3.2 时效处理对相变温度的影响
• 4.3.3 时效处理对力学性能的影响
• 4.4 小结
• 5 NiTi合金支架单元的有限元模拟及实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 模拟所需参数获取及其可行性验证
• 5.2.1 形状记忆合金有限元材料模型
• 5.2.2 ANSYS超弹性材料模型参数
• 5.2.3 材料模型参数的获取
• 5.3 胸主动脉瘤支架单元支撑力测试有限元模拟
• 5.3.1 胸主动脉瘤支架单元模型的建立
• 5.3.2 模拟结果与讨论
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 不同工艺处理后模拟所需材料参数
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢