強(qiáng)韌型金屬纖維多孔材料制備、力學(xué)行為及其內(nèi)植物應(yīng)用研究.pdf

1、傳統(tǒng)的金屬多孔材料制備技術(shù)普遍存在著工藝與成本方面的不足，并且多以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)的，因此尚不能解決高強(qiáng)度、高韌性與低彈性模量這一矛盾。在此背景下，本課題研制了以生物醫(yī)學(xué)為應(yīng)用對(duì)象的金屬纖維多孔材料(主要包括纖維多孔鈦和纖維多孔鋼)，其制備實(shí)際上屬于一種改進(jìn)的冶金方法，是通過預(yù)繞制壓實(shí)及后續(xù)燒結(jié)(和熱處理)制備出不同孔隙率的多孔材料。為了揭示金屬纖維多孔材料的宏觀力學(xué)行為和微觀變形機(jī)制，本課題從其多孔結(jié)構(gòu)研究入手，在試驗(yàn)、檢測、分析、計(jì)算

2、的基礎(chǔ)上，探明其結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，為改進(jìn)和優(yōu)化多孔材料制備技術(shù)與工藝、提高多孔材料性能、指導(dǎo)其醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用等提供重要的實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。
　　 基于電子分析天平、蔡司材料顯微鏡、體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡、Tomography技術(shù)、能譜分析儀、X射線衍射儀、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等相關(guān)設(shè)備與方法研究得知：
　　 金屬纖維多孔材料具有三維且高貫通性的孔結(jié)構(gòu)，從表到里都分布著大量的互相連通的微孔和縫隙。無論是隨機(jī)型還是螺線型都屬于各向異性

3、材料，其纖維/絲之間相互纏繞。在其成型受壓面上，纖維/絲多為平行于受壓面分布。它的形狀及空間分布比其它的泡沫結(jié)構(gòu)(例如三維多面體、三維球面圍成的空隙結(jié)構(gòu)、或由球體堆積形成的球面間隙結(jié)構(gòu))更為復(fù)雜。存在于連續(xù)隨機(jī)網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)中的大量交叉連接點(diǎn)經(jīng)燒結(jié)后(即燒結(jié)點(diǎn))貢獻(xiàn)于纖維多孔材料的力學(xué)性能。
　　 控制多孔結(jié)構(gòu)和孔隙率的主要因素按重要性遞減的順序可列為：纖維/絲直徑>成型壓力>燒結(jié)溫度>燒結(jié)時(shí)間。燒結(jié)(及熱處理)前后纖維多孔鈦的成

4、分和物相保持一致，都是密排六方結(jié)構(gòu)的α-Ti單相組織，為預(yù)先期望的組織。本文很好地說明了燒結(jié)工藝的重要性，纖維/絲在相接觸處被燒結(jié)連接在一起，從而提高了金屬纖維多孔材料的剛度和強(qiáng)度。
　　 對(duì)纖維多孔鈦，無論是絲徑為0.08mm還是絲徑為0.15mm；無論是隨機(jī)型還是螺線型，其準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線都經(jīng)歷三個(gè)典型的階段(即彈性階段、塑性平臺(tái)階段和致密化階段)，且其壓縮平臺(tái)強(qiáng)度和壓縮模量都隨孔隙率的減小而快速提高。扭曲的纖維

5、/絲的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、彎曲、屈曲或褶皺以及燒結(jié)點(diǎn)的剖開或破裂，是隨機(jī)型纖維多孔鈦單軸壓縮變形和失效的主要機(jī)制。纖維/絲螺旋卷的彎曲、相互嚙合、壓扁及燒結(jié)點(diǎn)的剖開或破裂，是螺線型纖維多孔鈦單軸壓縮變形和失效的主要機(jī)制。纖維多孔鈦的偽彈性滯后行為、阻尼特性及能量耗散能力在工程、生物醫(yī)學(xué)、航空、航天、及其他工業(yè)應(yīng)用方面是非常有前途的。
　　 兩種絲徑制備的隨機(jī)型纖維多孔鈦的拉伸應(yīng)力.應(yīng)變曲線都經(jīng)歷四個(gè)階段，即(Ⅰ)初始彈性階段；(Ⅱ)屈服

6、、塑性變形開始且局部纖維/絲發(fā)生破裂；(Ⅲ)斷裂的擴(kuò)展和應(yīng)力急劇下降；(Ⅳ)完全失效。隨著孔隙率的增加，兩種絲徑所制備的隨機(jī)型纖維多孔鈦的拉伸強(qiáng)度和彈性模量都急劇下降，而最大力總伸長率則隨孔隙率的增大而增大。結(jié)構(gòu)變形和纖維/絲的塑性變形貢獻(xiàn)于的隨機(jī)型纖維多孔材料總的變形。扭曲的纖維/絲伸展、燒結(jié)點(diǎn)剖開或破裂及纖維/絲向拉伸載荷方向旋轉(zhuǎn)是隨機(jī)型纖維多孔鈦拉伸塑性變形和失效的主要機(jī)制，其纖維多孔結(jié)構(gòu)中的單根纖維/絲以韌性縮頸方式變形和失效。

7、
　　 兩種絲徑制備的隨機(jī)型纖維多孔鈦的彎曲力.撓度曲線都經(jīng)歷四個(gè)階段，即(Ⅰ)初始彈性階段；(Ⅱ)屈服、塑性變形開始且局部纖維/絲發(fā)生破裂；(Ⅲ)斷裂的擴(kuò)展和彎曲力急劇下降；(Ⅳ)完全失效。隨著孔隙率的增加，兩種絲徑所制備的隨機(jī)型纖維多孔鈦的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量都急劇下降，而最大彎曲力對(duì)應(yīng)的撓度則隨孔隙率的增大而增加。扭曲的纖維/絲的伸展、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、彎曲、屈曲或褶皺以及燒結(jié)點(diǎn)的剖開或破裂，是隨機(jī)型纖維多孔鈦三點(diǎn)彎曲變形和失

8、效的主要機(jī)制，其纖維多孔結(jié)構(gòu)中的單根纖維/絲會(huì)經(jīng)歷縮頸變形和韌性斷裂。卸載后孔隙率較大的試樣沒有發(fā)現(xiàn)宏觀斷裂，而孔隙率較小試樣的出現(xiàn)宏觀斷裂跡象。
　　 孔隙率是影響纖維多孔鈦力學(xué)性能的重要因素，而孔隙形貌、孔隙尺寸與分布對(duì)力其力學(xué)性能也有影響，即在孔隙率基本相同時(shí)，孔隙越小或分布越均勻(分布區(qū)間窄)，纖維多孔鈦的力學(xué)性能越好。
　　 當(dāng)總孔隙率在44.2±0.1％～7±0.1％之間的隨機(jī)型纖維多孔鈦(絲徑為0.08mm

9、)的壓縮性能(壓縮平臺(tái)強(qiáng)度：80.1±1.0～147.8±1.8MPa，彈性模量：1.4～2.3GPa)與自然骨(壓強(qiáng)度：88.3～193MPa，彈性模量：1～30GPa)非常接近。然而，從彎曲性能角度講，總孔隙率為54.5±0.1％～57.4±0.1％的纖維多孔鈦的抗彎強(qiáng)度為107.2±1.3～189.5±1.5MPa，與骨抗彎強(qiáng)度(110～184MPa)相近。所以，可以粗略地估計(jì)總孔隙率在40.0％～60.0％范圍內(nèi)的隨機(jī)型纖維多孔

10、鈦，具有與人體骨匹配的力學(xué)性能，有利于解決或減輕植入體和骨的應(yīng)力集中或應(yīng)力屏蔽，延長植入體的壽命。
　　 隨機(jī)型纖維多孔鋼呈現(xiàn)出與隨機(jī)型纖維多孔鈦類似的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮行為及變形機(jī)制。在所制備的孔隙率范圍內(nèi)，隨機(jī)型纖維多孔鈦和纖維多孔鋼的相對(duì)平臺(tái)強(qiáng)度和相對(duì)密度之間，以及相對(duì)彈性模量和相對(duì)密度之間的關(guān)系可以通過冪律模型很好地進(jìn)行擬合。較大的指數(shù)表明二者的壓縮彈性模量和平臺(tái)強(qiáng)度均對(duì)孔隙率較敏感。而且，還發(fā)現(xiàn)四種不同孔隙率的纖維多孔鋼的

11、理想吸能率約在14.4～22.1％應(yīng)變范圍內(nèi)達(dá)到最高值，約0.878～0.898，顯示出優(yōu)良的吸能性。
　　 隨機(jī)型纖維多孔鋼也呈現(xiàn)出與纖維多孔鈦類似的準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸行為及失效機(jī)制，但在實(shí)驗(yàn)所測試的孔隙率范圍內(nèi)，前者的失效試樣并不存在宏觀上的完全斷裂，且前者的最大力總伸長率隨孔隙率的增大而減小，后者卻反之。
　　 隨機(jī)型纖維多孔鋼三點(diǎn)彎曲過程經(jīng)歷最初的彈性變形、較長的偽屈服平臺(tái)和彎曲力急劇增加三個(gè)階段，類似于其壓縮變形過

12、程，其失效歸因于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單純的塑性變形，區(qū)別于隨機(jī)型纖維多孔鈦三點(diǎn)彎曲行為與失效方式。纖維多孔鋼彎曲屈服強(qiáng)度和彎曲彈性模量隨孔隙率的增加而非線性地下降。
　　 在扭轉(zhuǎn)載荷下，隨機(jī)型纖維多孔鋼經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變形，然后失效。在纖維/絲伸展、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及燒結(jié)點(diǎn)的剖開或破裂的機(jī)制上發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變形。試樣的失效從其表面上正應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大處開始，并揭示典型的正斷特性，即具有接近45°斷裂面。剪切強(qiáng)度和剪切模量依賴于孔隙率的大小，均隨孔隙率增加

13、而下降。
　　 隨機(jī)型纖維多孔鋼的沖擊韌性隨孔隙率增加而下降，其沖擊失效不能被認(rèn)為是簡單的脆性斷裂模式或簡單的塑性斷裂模式。在沖擊條件下，隨機(jī)型纖維多孔鋼的基本沖擊變形和失效機(jī)制，例如：孔棱(纖維/絲)彎曲、屈曲、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、伸展和斷裂，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中燒結(jié)點(diǎn)的剖開或撕裂，有助于良好的能量吸收特性。
　　 此外，三維連通的纖維多孔鈦微球復(fù)合納米鍶磷灰石能保持其原有的特性，同時(shí)，促進(jìn)成骨細(xì)胞吸附、增殖和分化，更有效地誘導(dǎo)骨形成，