表面仿生结构与薄膜材料工艺力学及力学性能

论文摘要

为了改善钛及镁等金属合金生物活性和力学性能,常采用表面微造型和表面涂层改性的方法。本文首先采用有限元法,对钛合金表面进行纳秒激光微造型加工模拟,激光热源呈高斯分布,模拟温度场和应力场的分布情况,分析了激光功率密度,脉冲个数对烧蚀弹坑的温度场及应力场的影响,得到了在脉宽、波长和频率一定时,脉冲激光作用的最佳光强为11.5×105W/cm2和最佳脉冲个数为双脉冲。在此基础上,还研究了不同的微造型尺寸以及不同分形维数对各向应力以及不同磨损情况下磨损体积的影响,得到了最佳微造型尺寸和最佳分形维数分别为凹坑半径为25μm,间距为50μm,分形维数为1.64,这一研究结果对实际的微加工具有重要的理论指导意义。其次,根据理论研究和前期试验结果,对采用电刷镀方法在医用镁合金试样表面制备的碳纳米管（CNTs）和纳米羟基磷灰石（HA）增强的镍钴基生物纳米复合镀层工艺力学性能和压痕力学性能进行了有限元模拟,研究了刷镀温度、薄膜厚度、中间过渡层（HA）及其厚度、基体表面粗糙度等对膜基体系（包括含有预裂纹膜基体系）热残余应力以及基于热残余应力的压痕力学性能的影响规律,提出了生物纳米镀层的优化工艺方案,如对于含有预裂纹膜基体系,当刷镀温度在40-50。C,镀层厚度为1.5μm,HA过渡层厚度为3.5μm,膜基体系的热残余应力较小为0.675GPa,膜的模量和硬度较大分别为17GPa和210GPa,界面结合强度较高为2.4GPa,当界面的结合力大于临界应力2.4GPa时裂纹沿着膜基界面扩展。上述计算结果有利于优化镀层的结构设计。最后,基于生物纳米复合镀层实际微结构的TEM图片,使用ANSYS有限元生死单元技术模拟裂纹的扩展路径,比较不同混杂比情况下的裂纹扩展路径以及裂纹尖端的应力强度因子,认为在HA和CNTs混杂增强的镍钻合金涂层中裂纹是沿着颗粒的边缘扩展的,应力强度因子及复合材料的拉伸力学性能随着混杂比的增加而增加。而且通过生物相容性实验验证了此薄膜的生物相容性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 骨组织结构和骨修复及其替代材料
• 1.3 医用金属合金表面仿生加工及涂层材料表面改性
• 1.3.1 表面仿生结构激光加工改性
• 1.3.2 表面涂层改性
• 1.4 表面仿生结构与生物薄膜计算模拟
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 脉冲激光微造型的数值模拟
• 2.1 ANSYS简介
• 2.2 脉冲激光热源的数学模型
• 2.3 前处理
• 2.3.1 建立几何模型并划分网格
• 2.3.2 材料热物理性能参数
• 2.3.3 载荷和边界条件
• 2.4 求解和结果分析
• 2.4.1 功率密度的影响
• 2.4.2 脉冲个数的影响
• 2.5 本章小结
• 3 非光滑凹坑表面在滑动摩擦下的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 理论模型
• 3.3 几何模型的建立和基本假设
• 3.3.1 划分网格
• 3.3.2 加载并求解
• 3.3.3 有限元计算结果分析
• 3.3.4 薄膜润滑的有限元计算
• 3.4 体液润滑的有限元模拟
• 3.4.1 体液几何方程
• 3.4.2 体液粘度方程
• 3.4.3 体液密度方程
• 3.5 本章小结
• 4 膜基体系压痕的有限元模拟
• 4.1 概述
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 膜基体系的热残余应力和界面最大剪切应力
• 4.2.2 刷镀温度的影响
• 4.2.3. 表面粗糙度的影响
• 4.2.4 涂层厚度的影响
• 4.2.5 中间过渡层以及过渡层厚度的影响
• 4.3 本章小结
• 5 薄膜微细观力学性能及生物相容性
• 5.1 概述
• 5.2 分析模型及裂纹的扩展准则
• 5.2.1 基于实际结构的几何模型的建立
• 5.2.2 裂纹的扩展准则
• 5.3 数值模拟过程
• 5.3.1 网格的划分
• 5.3.2 定义载荷步并求解
• 5.3.3 后处理
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 混杂比的影响
• 5.4.2 颗粒间距的统计
• 5.5 生物相容性实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢