稀土LaF3增强型梯度结构多孔钛及其力学性能

采用粉末冶金法制备外层高孔隙率/内层低孔隙率的梯度结构多孔钛,以解决单层多孔钛孔隙率高强度低的问题。梯度双层多孔钛内层孔隙率约为30%,外层孔隙率可达65%以上,孔径范围在100~255μm之间,内/外层孔径和孔隙率呈梯度分布,其抗压强度和弹性模量分别为117.50~143.55MPa和1.95~3.08GPa。在梯度多孔钛外层添加稀土氟化镧进一步提高了其力学性能。当添加量为0.05%(质量分数)时,其抗压强度和弹性模量最高,可达到213.76MPa和3.38GPa。     

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。     

基于杨氏模量可控多孔钛微观组织和力学性能的研究

人体植入物的杨氏模量在减少因植入物杨氏模量远大于骨组织而带来的应力屏蔽,提高植入物器件在人体的服役寿命具有十分重要的作用。本文采用一种新型的钛网层叠烧结法制备多孔钛,研究多孔钛的微观孔形貌,压缩变形特点和具有可控性的多孔钛孔隙率、孔径大小和孔分布对多孔钛微观组织及力学性能的影响。研究结果表明：这种方法制备的多孔钛在微观结构上具有不同方向有不同的微观孔形貌,因而使多孔钛具有异性;轴向压缩应力应变曲线表明多孔钛具有平稳、光滑的弹性和塑性变形行为;当增加孔隙率,或相同孔隙率下,减小孔名义尺寸,改变孔分布由规则到错排时,均能降低多孔钛的弹性模量。因此,通过调控多孔钛的这些结构参数,可使其具有与不同骨组织相匹配的力学性能和利于骨组织长入的孔径尺寸。这种与骨组织适配的力学性能和孔结构,在提高植入物器件的服役寿命具有很大的潜力。     

生物医用多孔钛的力学性能及孔结构变形行为（英文）

多孔钛材料因其优良的综合性能被视为最有潜力的生物医用材料之一。考虑到生物材料在使用过程中必然受到力的作用,重点研究了多孔钛的力学性能及其孔结构变形行为。采用添加造孔剂的粉末烧结方法制备孔隙率为36%~66%、平均孔径为230μm的多孔钛。采用扫描电镜观察孔结构形貌,通过室温压缩测试检测力学性能。多孔钛的弹性模量和抗压强度分别为1.86~14.7 GPa和85.16~461.94 MPa,具力学性能与人骨的力学性能相近。建立了多孔钛的相对屈服强度和相对密度间关系,结果表明相对密度是影响多孔钛力学性能和变形的主要因素。对于低相对密度的多孔钛而言,其变形方式为孔壁的屈服、弯曲和屈曲;而对于高相对密度的多孔钛,其变形方式主要为孔壁的屈服和弯曲。     

超薄多孔钛板的分形表征

采用4种不同粒径范围的氢化脱氢钛粉末作为原料,采用松装烧结法成功制备出孔隙率为43.9%～46.1%、厚度为0.25 mm超薄多孔钛板。采用分形理论对多孔钛板SEM照片的孔隙面积进行分析,研究了孔隙分形维数与不同粒径制备的多孔钛板力学性能和微电阻性能之间的关系。结果表明,不同粒度范围粉末制备的烧结多孔钛板均表现出明显的分形特征,其孔隙分形维数值为1～2,且各分形维数相关系数高达99%以上。随着粉末粒度的降低,样品的分形维数及其相关系数也随之提高。随着分形维数的增加,多孔钛板的抗拉强度和微电阻也随之增加。     

基于杨氏模量可控多孔钛微观组织和力学性能研究（英文）

因为人体植入物的杨氏模量远大于骨组织将会带来应力屏蔽,所以降低人体植入物的杨氏模量对于提高植入物器件在人体的服役寿命具有十分重要的作用。采用一种新型的钛网层叠烧结法制备多孔钛,研究多孔钛的微观孔形貌,压缩变形特点和具有可控性的多孔钛孔隙率、孔径大小和孔分布对多孔钛微观组织及力学性能的影响。结果表明:钛网层叠烧结法制备的多孔钛在微观结构上,不同方向具有不同的微观孔形貌,因而使多孔钛具有异性;轴向压缩应力应变曲线表明多孔钛具有平稳、光滑的弹性和塑性变形行为;当增加孔隙率,或相同孔隙率下,减小孔名义尺寸,改变孔分布由规则到错排时,均能降低多孔钛的弹性模量。因此,通过调控多孔钛的这些结构参数,可使其具有与不同骨组织相匹配的力学性能和利于骨组织长入的孔径尺寸。作为植入物材料的多孔钛具有的这种与骨组织适配的孔结构和力学性能,在延长植入物器件的服役寿命上具有很大的潜力。     

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。     

硬组织植入多孔钛的制备及其性能研究

为满足硬组织植入多孔材料的需求,在传统粉末烧结法的基础上,利用造粒-松装烧结法制备了多孔钛,比较了这两种方法制备出的多孔钛性能和结构差异。结果表明:粉末烧结法制备的多孔钛样品为均一型孔结构且孔隙度较低,同时过高的力学性能限制了该方法的应用;采用造粒-松装烧结法制备出的多孔钛孔隙度为60%~80%,同时多孔钛的孔结构为大孔孔壁分布着均匀微米级小孔的双峰孔结构,力学性能与人体骨组织较好匹配,完全符合硬组织植入体的性能要求。     

基于TPMS结构的多孔钛制备与表征

多孔钛因具有与人体骨组织相近的弹性模量和允许骨长入的孔隙结构而备受关注。其孔隙结构特征不仅影响骨长入效果,而且决定了多孔钛的力学性能。通过三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)隐函数参数的精确调控可以构建出理想的孔隙结构模型。本实验针对TPMS模型中常用的G单元模型,研究了G单元模型隐函数参数对孔隙率、孔径、杆径等孔隙结构特征的影响规律,设计出了孔隙率约为77%,孔径分别为300(G300)、500(G500)微米的均质孔隙结构;模仿自然长骨径向梯度结构模型,构建了相应的G单元仿生梯度孔隙结构。采用选区激光熔化(SLM)增材制造技术制备了相应的多孔钛样件,利用数字显微镜和扫描电镜观测多孔钛的孔隙结构特征,发现SLM多孔钛实测孔隙率低于设计孔隙率,实测孔径小于设计值,实测杆径大于设计值。力学性能检测结果显示,G300和G500多孔钛弹性模量分别为2.04和3.12GPa,其最大抗压强度分别为63.5和103.5MPa,梯度孔隙结构多孔钛弹性模量和最大抗压强度分别为6.3 GPa和186.9 MPa。研究结果表明,G单元梯度孔隙结构多孔钛是一种理想的承重部位骨缺损修复体。     

凝胶注模工艺制备医用多孔Ti-Co合金的性能

采用凝胶注模工艺制备含8%和12%Co(质量分数,下同)的多孔Ti-Co合金,研究获得均匀悬浮稳定浆料的分散剂加入量。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、压缩和三点弯曲试验分别对多孔Ti-Co合金的显微结构和力学性能进行了测试和分析。结果表明,加入1%分散剂可获得分散效果最佳的悬浮浆料,所制备多孔Ti-Co合金的孔隙率在50%左右,孔隙呈三维通孔结构。与多孔纯钛相比,添加Co元素明显提高了多孔Ti的力学性能,其中压缩强度在68～378MPa之间,抗弯曲强度在53.68～169.17MPa之间,弹性模量在7～21GPa之间。固相体积分数为33%,在1100℃下烧结的多孔Ti-8%Co合金由于与成人骨的力学相容性最好,适合作为医用植入材料。     

多孔钛合金拓扑优化设计及性能研究

为了得到良好力学性能和高渗透性的钛合金多孔结构,需要在多孔结构的孔隙率与其强度之间保持权衡。以人体膝关节胫骨假体为研究对象,首先,根据胫骨受力状态,采用拓扑优化设计并重构不同载荷工况下的抗压、抗剪单胞结构(TO-P1、TO-P2、TO-S1、TO-S2),与几种常见的基本单胞结构(BCC、FCC、RDC、DCC)进行研究比较;其次,通过对不同类型多孔钛合金进行压缩、剪切性能仿真,研究不同拓扑形态的多孔钛合金关于抗压、抗剪的力学性能,并采用SLM技术成型多孔钛合金压缩试件,验证了仿真分析的有效性;最后,选择力学性能较优的4种多孔钛合金进行渗透性分析。结果表明,TO-S2结构的抗压、抗剪力学性能和渗透性能最为出色,适合作为压剪载荷类植入物的多孔结构。     

钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构设计与分析

研究一种具有径向和轴向孔径梯度的变形Gyroid单元多孔结构参数化设计方法,采用激光选区熔化成形(selective laser melting, SLM)技术,制备出孔隙率为60%和75%的钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构样件。使用有限元法(finiteelementmethod,FEM)对4组梯度多孔支架模型及2组均质模型进行静力学仿真分析,对制备的钛合金梯度多孔样件进行力学性能测试,并与已测试过的均质样件进行力学性能对比分析。有限元计算结果与力学性能试验结果共同表明：变形Gyroid单元多孔结构力学性能随孔隙率的升高而降低,孔隙率相同时,径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架,更适用于皮质骨的骨缺损修复,轴向梯度多孔支架力学性能相比均质多孔支架有所减弱,更适用于松质骨。     

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。     

Porous titanium implants fabricated by metal injection molding

Sodium chloride (NaCl) was added as a space holder in synthesis of porous titanium by using metal injection molding(MIM) method. The microstructure and mechanical properties of porous titanium were analyzed by mercury porosimeter, scanning electron microscope(SEM) and compression tester. The results show that the content of NaCl influences the porosity of porous titanium significantly. Porous titanium powders with porosity in the range of 42.4%–71.6% and pore size up to 300 μm were fabricated. The mechanical test shows that with increasing NaCl content, the compressive strength decreases from 316.6 to 17.5 MPa and the elastic modulus decreases from 3.03 to 0.28 GPa.     

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。     

Preparation and characterization of porous titanium using space-holder technique

Titanium-based porous materials can be used in structural applications and medical implants because of their excellent mechanical properties at elevated temperatures, good corrosion resistance and wonderful biocompatibility. However, most of the methods used to produce the po-rous metal can only give limited porosity and uncontrollable pore morphologies. In the present study, a newly developed method of powder metallurgy using the space-holder technique was used to fabricate porous titanium with controllable porosity. The morphological features and mechanical properties of the products were fully investigated. The results show that the porosity is in the range of 55%-75%, and the mean pore size, with an average sphericity of～0.72, is 600 μm The plateau stresses vary between 10 MPa and 35 MPa. As predicted by the Gibson-Ashby model, the plateau stress decreases with increasing porosity.     

钛合金变形Gyroid单元多孔结构设计与分析

三周期极小曲面（triply periodic minimal surfaces, TPMS）多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用激光选区熔化（selective laser melting, SLM）技术制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明：孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%;孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。     

TiO_2对堇青石多孔陶瓷微观结构和性能的影响

以叔丁醇为成形介质和造孔剂,二氧化钛为烧结助剂,采用凝胶注模成形和无压烧结工艺制备堇青石多孔陶瓷.研究了添加5%(体积分数,下同)二氧化钛对堇青石多孔陶瓷的气孔率、微观结构、力学性能和气孔结构的影响,并对样品的断口形貌进行观察.结果表明,在1175 ℃烧结温度条件下,与不添加二氧化钛相比,当二氧化钛含量为5%时,所得堇青石多孔陶瓷的气孔率和开口气孔率分别由76.9%和96.4%下降为72.4%和95.1%,线性收缩率从20.7%提高到22.1%,而抗压强度则由3.23 MPa提高到5.83 MPa,气孔尺寸均呈单峰分布,中位孔径由2.29 μm下降到1.62 μm.二氧化钛的加入提高了堇青石粉末的低温烧结性能,在未明显降低堇青石多孔陶瓷气孔率以及未改变其气孔结构、孔径尺寸分布的前提下,材料的力学性能得到了显著改善.     

Porosity and mechanical properties of porous titanium fabricated by gelcasting

Porous Ti compacts with large size and complex shape for biomedical applications were fabricated in the porosity range from 40.5% to 53.8% by controlling gelcasting parameters and sintering conditions. The experimental results show that the total porosity and open porosity of porous titanium compacts gelcast from the Ti slurry with 34 vol.% solid loading and sintered at 1100℃ for 1.5 h are 46.5% and 40.7%, respectively, and the mechanical properties are as follows： compressive strength 158.6 MPa and Young＇s modulus 8.5 GPa, which are similar to those of human cortical bone and appropriate for implanting purpose.     

Fabrication of Entangled Tough Titanium Wires Materials and Influence on Three-Dimensional Structure and Properties

Pure titanium (Ti) TA1 fibers/wires with 0.08 and 0.15 mm diameters were processed by a novel method that combined press forming, vacuum sintering (≥10^?2 Pa), and heat treatment to fabricate entangled Ti wire materials (ETWMs). The ETWMs exhibited a total porosity ranging from 44.2 ± 0.1 to 81.2 ± 0.1% and an open porosity ranging from 43.5 ± 0.1 to 80.9 ± 0.1%. The processing parameters of fiber diameter, formation pressure, sintering temperature, and sintering time were applied to examine porous ETWM morphology, porosity, pore size, and mechanical properties. The importance of primary factors controlling porous structure and porosity in ETWMs were found to be fiber/wire diameter > formation pressure > sintering temperature > sintering time. Furthermore, Ti fiber diameter was shown to directly impact pore size. High formation pressure resulted in a fine, uniform porous structure with low porosity. Sintering at high temperature for long-time periods promoted sintering point formation, resulting in neck coarsening. This effect contributed to the characteristic mechanical properties observed in these ETWMs. If the sintering effect is considered in isolation, ETWMs fabricated with 0.08 mm diameter Ti fibers/wires and sintered at 1300 °C for 90 min achieved smaller, more uniform porous structures that further exhibited improved connections among fibers/wires and excellent mechanical properties.