多孔TiNi形状记忆合金的研究

论文题目: 多孔TiNi形状记忆合金的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 朱胜利

导师: 杨贤金

关键词: 多孔合金,孔隙,生物相容性,粉末冶金,图像分析

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: TiNi形状记忆合金因其独特的形状记忆效应和优异的力学性能而在生物医用材料领域得到应用,但是作为医用金属材料,高的弹性模量以及表面惰性使得TiNi合金容易产生植入松动失效。从仿生学的角度考虑,多孔材料在强度、刚度及重量方面具有最合理的组合,同时多孔性有利于诱导骨组织的长入,使植入物的固定更安全、更可靠。本文采用了简单的气氛保护元素粉末冶金技术制备多孔TiNi形状记忆合金,对各项工艺参数对合金性能的影响进行了系统的研究,并建立了多孔TiNi合金压缩变形时简单的力学模型。研究结果表明: 采用氩气保护元素粉末冶金的方法,可以制备综合性能良好的多孔TiNi形状记忆合金:用-300目的Ni粉和-300目的Ti粉混合4h,在100MPa的压力下压制成型,氩气保护气氛下980℃烧结8h获得的多孔TiNi合金孔隙率为45%,平均孔径130μm,抗压强度677MPa,抗弯强度247MPa,压缩模量11.2GPa,可回复应变高于2%。粉末粒度越小,合金孔隙率越小,平均孔径也越小。压制压力增大,烧结产物孔隙率和平均孔径下降,抗压强度和抗拉强度均提高,压缩模量增加。提高烧结温度,合金的平均孔径下降,孔隙率先升后降,抗压强度、抗弯强度和压缩模量都随烧结温度的提高而提高; 980℃烧结时,平均孔径随烧结时间先降后升,然后再下降,孔隙率随烧结时间先升后降,压缩强度、抗弯强度和压缩模量随时间增加而增加。烧结时间延长,孔隙的内壁变光滑,孔隙连通性变好。980℃烧结8h以上的多孔TiNi合金存在TiNi(B2),TiNi(B19?)、Ti2Ni,TiNi3、Ti3Ni4等几种金属间化合物,烧结时间低于4h,合金存在单质Ni,扩散不充分。氮气和氢气不适合用作制备多孔TiNi合金的保护气氛。采用孔隙形状因子Fs hape和FR CE可以较好的表征合金孔隙形状的状况。多孔TiNi合金的孔隙分布具有分段的分形特征,其临界孔径在60～140μm的范围内。多孔TiNi合金的孔隙分布的整体分形维数在1～3之间,随着平均孔径的增大,分形维数是降低的。多孔TiNi在0.9%NaCl溶液中的耐腐蚀性能较致密TiNi合金差。多孔TiNi合金的保护电位明显低于致密TiNi合金,其钝化电流较致密TiNi合金高近一个数量级,有明显的缝隙腐蚀特征。极化阻力的测试结果也表明多孔TiNi合金腐蚀速度较致密TiNi合金大,界面电容高于致密TiNi合金。离子溶出实验表明:随着浸泡时间的增加,多孔TiNi合金试样和致密试样的溶出速度都是下降的; 而且至浸泡的后期,溶出速度都达到平稳且处于比较低的水平; 浸泡初期,多孔试样的溶出速度比致密试样的要高。动物实验结果表明:多孔TiNi合金与骨组织结合紧密,骨整合性良好,骨组织长入孔隙内部,植入体与骨组织属于生物固定结合。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 TiNi 合金与多孔TiNi 合金

1.2.1 TiNi 形状记忆合金的发展概况

1.2.2 形状记忆效应与超弹性

1.2.3 多孔TiNi 合金的发展概况

1.2.4 多孔TiNi 合金的性能特点

1.3 多孔TiNi 合金的制备

1.3.1 元素粉末冶金法

1.3.2 预合金粉末制备多孔TiNi 形状记忆合金

1.3.3 自蔓延高温合成(SHS)多孔TiNi 形状记忆合金

1.3.4 电火花烧结制备多孔TiNi 形状记忆合金

1.4 多孔TiNi 合金的医学应用

1.4.1 用于整形外科方面

1.4.2 用于人体骨组织缺损的修复和关节的替换

1.5 本课题的研究背景及目的

第二章 多孔TiNi 合金的制备工艺及其影响因素

2.1 前言

2.2 实验材料和实验方法

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验设备

2.2.3 V 型混粉机的研制

2.2.4 多孔TiNi 合金的制备过程

2.2.5 研究方法

2.3 孔隙特性分析

2.3.1 粉末特性对孔隙的影响

2.3.2 压制压力对孔隙的影响

2.3.3 烧结温度对孔隙的影响

2.3.4 烧结时间对孔隙的影响

2.4 物相分析

2.4.1 烧结时间对物相的影响

2.4.2 烧结温度对物相的影响

2.4.3 保护气氛对物相的影响

2.5 力学性能分析

2.5.1 多孔TiNi 合金的压缩应力应变曲线

2.5.2 压制压力对力学性能的影响

2.5.3 烧结温度对力学性能的影响

2.5.4 烧结时间对力学性能的影响

2.5.5 断口分析

2.6 变形特性

2.6.1 应变回复行为

2.6.2 形状恢复行为

2.7 差热分析

2.8 透射电镜分析

2.9 烧结过程的热力学与扩散动力学分析

2.10 小结

第三章 多孔TiNi 合金孔隙特征的图像分析

3.1 前言

3.2 分形简介

3.3 多孔TiNi 合金孔隙图像的获取与处理

3.4 多孔TiNi 合金孔隙图像分析结果

3.4.1 孔隙的尺寸及形状分布

3.4.2 孔隙分布的分形特征

3.5 小结

第四章 多孔TiNi 合金的电化学性能和生物相容性

4.1 前言

4.2 实验材料与方法

4.2.1 电化学测试

4.2.2 离子溶出测试

4.2.3 动物模型实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 电化学行为

4.3.2 Ni 离子溶出结果分析

4.3.3 生物相容性分析

4.4 小结

第五章 多孔TiNi 合金的简单力学模型

5.1 前言

5.2 多孔TiNi 合金的有效弹性性能

5.2.1 球形孔隙模型有效弹性模量的计算

5.2.2 椭球形孔隙模型有效弹性模量的计算

5.3 应变可完全回复时的压缩应力应变线形曲线模型

5.4 小结

第六章 全文总结及今后工作设想

6.1 全文总结

6.2 今后工作设想

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

发布时间: 2006-05-24

参考文献

• [1].镍钛铁形状记忆合金平面应变塑性变形机理及微观结构演变研究[D]. 梁玉龙.哈尔滨工程大学2018
• [2].镍钛铌形状记忆合金特性的试验与本构模型研究[D]. 陈翔.重庆大学2015
• [3].形状记忆合金复合材料界面力学特性[D]. 王玉龙.哈尔滨工程大学2011
• [4].镍钛铌形状记忆合金宏细观力学行为研究[D]. 陈斌.重庆大学2013
• [5].形状记忆合金的机敏摩擦学特性研究[D]. 王立民.大连海事大学2003
• [6].TiNi形状记忆合金与不锈钢的连接[D]. 李明高.吉林大学2006
• [7].铁锰硅铬镍形状记忆合金的组织性能及其制造管接头工艺性的研究[D]. 孙广平.吉林工业大学2000
• [8].形状记忆合金的本构模型[D]. 周博.哈尔滨工程大学2006
• [9].Co基铁磁形状记忆合金的凝固控制和固态相变特征[D]. 刘剑.上海交通大学2006
• [10].Fe-Mn-Si形状记忆合金的应力自适应特性和力学行为[D]. 王金刚.河北工业大学2006

相关论文

• [1].多孔形状记忆合金的相变机理和力学性能研究[D]. 刘兵飞.北京交通大学2013
• [2].多孔NiTi形状记忆合金的制备和表面改性研究[D]. 李强.东北大学2008
• [3].形状记忆合金及其复合材料的本构关系[D]. 朱祎国.大连理工大学2002
• [4].TiNi形状记忆合金薄膜显微结构及相变行为研究[D]. 刘晓鹏.大连理工大学2002
• [5].NiTi形状记忆合金薄膜的相变行为研究[D]. 李永华.吉林大学2004
• [6].TiNi形状记忆合金与不锈钢的连接[D]. 李明高.吉林大学2006
• [7].形状记忆合金的本构模型[D]. 周博.哈尔滨工程大学2006
• [8].NiTi形状记忆合金的伪弹性特性及其微结构机理的研究[D]. 皮文丽.重庆大学2007
• [9].金属注射成形多孔NiTi形状记忆合金及其传热驱动的研究[D]. 张利祥.上海交通大学2008
• [10].NiTi形状记忆合金的超弹性及医学应用研究[D]. 刘晓鹏.大连理工大学2008

标签：多孔合金论文;  孔隙论文;  生物相容性论文;  粉末冶金论文;  图像分析论文;