稀土CeO2增强型多孔钛的制备与性能

孔隙率对多孔钛的成骨性能影响较大,高的孔隙率更有利于骨组织的长入。但随着孔隙率的升高,其力学性能必然会急剧下降。因此,如何在保证多孔钛高孔隙率的前提下提高其力学性能,成为当前势必解决的难题。本研究采用浆料发泡法,通过在钛粉中加入不同含量的氧化铈,制备出高孔隙率的多孔钛。结果表明,多孔钛孔隙呈三维网络状,孔隙率为71.6%～73.5%,孔径主要分布在100～700μm,且孔壁上分布着微米级的微孔。当氧化铈的加入量为0.2%(质量分数,下同)时,多孔钛表现出最优的生物力学相容性,其杨氏模量为2.08GPa,抗压强度为60.19MPa。     

多孔钛的制备方法及其力学性能

钛及其合金因密度低、强度高、耐蚀性好、生物相容性好等特点被广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、生物医疗、电子工程等领域，它是继钢铁、铝材之后非常重要的战略金属材料，被誉为“第三金属”、“太空金属”、“海洋金属”。多孔钛是一类兼具多孔材料和金属钛双重属性的结构功能一体化材料，也是现代高技术领域不可或缺的关键支撑材料。本文重点介绍了多孔钛的制备方法，包括粉末冶金法（无压成形法、压制成形法、空间占位法、浆料成形法和3D打印技术）和化学合成法（反应烧结法、燃烧合成法、钙热还原法、脱合金法），简要叙述了多孔钛在生物医疗、过滤与分离、电化学等领域的应用现状。孔结构是影响多孔钛应用性能的关键因素，需加强孔结构的精确控制及其与环境耦合作用机理研究；通过材料、力学、数学等多学科交叉融合，开发超轻质、超高强多孔钛的设计与制备技术。     

多孔钛表面梯度磷灰石涂层的简单化学法制备

通过碱液处理或碱热处理并在模拟体液(SBF)中浸泡，在多孔钛表面制备了具有梯度结构的类骨磷灰石层。结果表明，碱液处理使多孔钛表面形成了网状多孔结构，组成为钛酸钠、金红石等。热处理后磷灰石在多孔钛表面的初期沉积更均匀。涂层中钙，磷、氧以及钛元素的含量随深度而变化，形成了梯度结构。具有表面梯度磷灰石涂层的多孔钛有望用于临床矫形，以提高种植体的生物活性和骨结合强度。     

SLM制备径向梯度多孔钛/钽的力学性能及生物相容性

利用增材制造技术制作仿天然骨的径向梯度多孔钛/钽骨科植入物具有广阔的前景.基于三周期极小曲面(triply minimal surfaces,TPMS)建模法建立了平均孔隙率为70％的圆柱型径向梯度孔隙结构,孔隙率由中轴线(90％)向圆周面(30％)逐渐降低.利用激光选区熔化(selected laser meltin...     

SLM制备径向梯度多孔钛/钽及其表征研究

利用增材制造技术制作仿天然骨的径向梯度多孔钛/钽骨科植入物具有广阔的前景。基于三周期极小曲面（triply minimal surfaces,TPMS）建模法建立了平均孔隙率为70%的圆柱型径向梯度孔隙结构,孔隙率由中轴线（90%）向圆周面（30%）逐渐降低。利用激光选区熔化(Selected Laser Melting, SLM)工艺制作径向梯度多孔钛/钽。光学显微镜,扫描电镜,Micro-CT检测结果共同显示,SLM径向梯度多孔钛/钽的孔隙结构与设计特征一致。SLM工艺制作的径向梯度多孔钛/钽的孔隙率分别为73.18%与68.18%。力学测试结果表明,梯度多孔钛/钽的弹性模量分别为3.96±0.19GPa与3.47±0.25GPa,抗压强度分别为90.83±3.35MPa与93.27±1.24MPa。梯度多孔钛/钽的弹性模量与抗压强度分别显著高于均匀多孔钛/钽（孔隙率为70.11%的均匀多孔钛弹性模量为2.34±0.48GPa,抗压强度为67.63±1.33MPa,孔隙率为65.39%的均匀多孔钽弹性模量为1.69±0.49GPa,抗压强度为68.56±0.41MPa）。体外细胞相容性实验证明,径向梯度多孔钛/钽均具有良好的生物相容性,适合间充质干细胞与肌肉细胞的粘附生长。SLM工艺制作的径向梯度多孔钛/钽比均匀多孔钛/钽具有与天然骨组织更相近的结构与性能,是理想的骨缺损修复替代物。     

不同孔径分布多孔钛的力学性能

从生物学角度出发设计并制备2种不同孔径分布的多孔钛,并研究其力学性能。采用造孔剂烧结方法制备孔隙率为36%~63%的多孔钛,通过室温压缩测试其力学性能。多孔钛的弹性模量和抗压强度分别在2.662~18 GPa和94.05~468.57 MPa范围内,且都随着孔隙率的增加而降低。抗压强度和孔隙率的关系曲线呈现完全的线性特征,表明抗压强度主要受孔隙率的影响,几乎不受孔径的影响。Gibson-Ashby力学关系分析结果显示：常数项C值的差异说明孔径分布对多孔钛的屈服强度有一定的影响;密度指数n值均大于临界值3,表明这2种不同孔径的多孔钛的变形方式相同,为孔壁的屈曲作用。     

立方孔拓扑结构对多孔钛力学性能的影响

采用钛网层叠烧结的方法制备出规则排列与错孔排列具备不同空间拓扑结构的多孔钛。采用扫描电镜观察多孔钛的微观结构,利用具有双差动位移传感器采集变形的Instron力学试验机测试样品压缩应力-应变曲线。通过压缩应力-应变曲线上弹性阶段中的曲线斜率求得其杨氏模量,以规定非比例压缩强度σ0.2为多孔材料的强度指标。经对比研究发现:2种不同的排列方式形成不同的空间拓扑结构。当方形孔错排时,弹性模量和屈服强度均呈现不同程度的下降,且弹性模量下降的幅度远远大于屈服强度下降的幅度。通过力学解析模型分析可知,挠度屈服和应力集中是力学性能下降的主要因素。     

铌对高孔隙率多孔钛力学性能的影响

以商业用纯钛粉及一定量的铌粉为原料,通过添加一定量的造孔剂,采用粉末冶金法制备出含铌量不同的高孔隙率多孔钛。通过力学试验及SEM方法等对试样进行检测。结果表明,当铌添加量为1%时,所制得的多孔钛抗压强度为26.26 MPa,且铌元素在钛中分布均匀;而不加铌时其抗压强度仅为18.20 MPa。     

注射成形制备多孔钛及其性能

以氯化钠作为造孔剂,利用金属注射成形(MIM)工艺制备多孔钛。研究烧结温度、造孔剂粒度和含量对多孔钛孔隙度、微观形貌和力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,多孔钛的孔隙度逐渐下降而抗压强度和弹性模量逐渐升高;随着造孔剂粒度的减小,多孔钛的孔径也随之减小;随着造孔剂含量的增多,多孔钛的孔隙度逐渐增大;MIM多孔钛植入体的最佳烧结温度为1100～1200℃,NaCl的最优粒度为150～250μm。     

浆料发泡法制备生物活性多孔钛及其性能

应用传统的浆料发泡法，通过孔隙优化，成功制备出力学性能与骨匹配的多孔钛。扫描电镜分析发现其孔隙相互连通成三维网状结构；经碱热处理的多孔钛在模拟体液中浸泡14d后，表面被一层类骨磷灰石覆盖，具有良好的生物活性。此多孔钛有望成为理想的负重骨缺损修复材料。     

纤维烧结多孔钛及其表面生长仿生Ca-P涂层

采用钛纤维烧结法制备了多孔钛，并应用混合碱-热处理对其表面进行活化处理，然后在过饱和钙磷溶液中进行表面钙磷涂覆。测试了多孔钛的压缩性能，分析了涂层的形貌、元素含量和相组成。结果表明，制备的多孔钛为三维贯通结构，孔隙度在29％～84％，孔隙尺寸为100～800gm。当孔隙度为55％～60％时，压缩屈服强度为150～230MPa，弹性模量为4．0～4．2GPa，与骨组织相近。经表面钙磷涂覆处理的多孔钛在模拟体液中浸泡3天后，内外孔壁均被类骨磷灰石覆盖，表现出良好的诱导骨生长特性。     

钛合金植入物梯度孔结构设计及其力学性能

植入物多孔结构的设计研究多以规则孔结构为主,而少有针对梯度孔结构设计。本文提出平面center及空间sphere两种梯度圆孔设计方法,实现完成对某一平面center梯度孔的植入物结构设计,采用激光选区熔化技术(Selective Laser Melting, SLM)制备出孔隙率为75%的医用钛合金Ti6Al4V梯度孔与规则孔结构植入物样件,进行微观材料表征和力学性能测试,得到相关力学数据。结果表明：该种梯度孔结构的力学性能优于规则孔,在孔隙率为75%的条件下,梯度孔样件的平均弹性模量较规则孔高36.25%,平均抗压强度提高29.9%。     

生物医用植入钛及钛合金的力学性能研究及进展

生物医用植入纯钛具有低密度、优越的耐蚀性、无致敏性和良好的生物相容性，而医用植入钛合金还具有高比强度、较低的弹性模量及易加工等优良特点。所以生物医用植入钛及钛合金已成为外科植入件优选的替代材料。本文重点介绍了人体硬组织修复与替换材料新型钛合金的生物相容性、力学性能、合金添加元素对力学性能的影响和最新研究进展，并指出了未来研究的发展方向。     

SPS制备NiTi表面多孔梯度合金的组织演变与力学性能研究

利用放电等离子烧结技术制备了基体为NiTi、表面为多孔NiTi的生物医用梯度合金,研究了烧结温度对梯度合金的微观结构、显微组织演变、表面孔隙特征及力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度升高,合金由Ti、Ni、Ti_2Ni、Ni_3Ti混合相逐渐演变为以NiTi相为主及少量残留Ti_2Ni、Ni_3Ti相组成的组织,基体与多孔层界面处裂纹及缺陷逐渐减少并形成稳定的冶金结合,内外层晶粒不断细化,但过高的烧结温度会导致多孔层孔隙融合连通,使得梯度结构遭到破坏,同时表面多孔层孔隙率与平均孔径呈缓慢减小趋势;合金压缩弹性模量随烧结温度升高变化不明显,而抗压强度呈显著增大趋势。与块体NiTi合金及多孔NiTi合金相比,所制备梯度合金不仅具有良好的界面结合和表层孔隙特征、较高的抗压强度及较低的弹性模量,还具有优异的超弹性性能。     

离心铸造钛合金件的力学性能变化规律

采用水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼设备,制备离心力场下不同旋转时间的钛合金铸件,研究离心半径、补缩冒口以及旋转时间对钛合金铸件的抗拉强度、屈服强度、延伸率和显微硬度的影响规律.结果表明:离心旋转时间相同时,钛合金铸件的力学性能随着离心半径的增加而改善,有补缩冒口时可以获得力学性能优异的铸件.旋转时间15与1.5 min相比,获得的铸件力学性能更优异,这是由于铸件显微组织细化,导致晶界强化,位错滑移的阻力增大所造成的.     

金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响

表层梯度结构广泛应用于工程材料,经表面强化技术处理后,零件表层结构呈梯度分布,可以改善零件的服役能力.综述了金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响,从微观结构和力学性能的角度,结合非均匀材料中裂纹的扩展行为,考虑了微结构和力学性能之间的相互影响规律,分析了梯度结构中影响裂纹扩展的因素.经表面强化后,材料表面晶粒细...     

Ti-Al-Cr两相钛合金的组织与性能研究

研制了一种Ti-Al—Cr两相钛合金。实验用合金采用真空自耗电弧熔炼,在α＋β两相区锻造成60mm-60mm的方棒。用金相法测试合金相变点为（970±5）℃。为了解热处理制度对合金显微组织和力学性能的影响,合金经过4种工艺制度进行热处理。用金相显微镜观测了不同热处理制度下的组织特征,并测试其力学性能。研究结果表明,相变点以下固溶处理得到双态组织,随着固溶温度的升高,初生α相含量减少,合金强度升高,塑性呈下降趋势。β固溶处理后得到魏氏组织,合金强度和韧性匹配高于相同热处理条件TC4合金水平。