多孔NiTi形狀記憶合金的制備和表面改性研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和良好的力學(xué)性能而應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域,但是作為硬骨組織的替代,其高的彈性模量以及表面惰性使NiTi合金容易產(chǎn)生植入松動失效。多孔NiTi形狀記憶合金在強(qiáng)度、剛度及重量方面具有合理的組合,同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)有利于誘導(dǎo)骨組織的長入和體液的傳輸。本文分別采用了粉末冶金法和自蔓延高溫合成的熱爆模式制備了孔隙度較高、平均孔徑較大的多孔NiTi形狀記憶合金。為了提高多孔NiTi合金的生物相容性、耐腐蝕性以及抑制N

2、i溶出,對制備的多孔NiTi合金進(jìn)行直流-脈沖陽極氧化和表面沉積羥基磷灰石等化學(xué)處理。采用先進(jìn)的材料分析檢測技術(shù)研究了多孔NiTi合金的孔隙特征、物相特征、力學(xué)性能、表面成分和電化學(xué)性能等基本性能,并建立了熱爆反應(yīng)參數(shù)和反應(yīng)產(chǎn)物性能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。
　　 對于粉末冶金法,通過改變壓制壓力、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間和造孔劑的含量可以調(diào)整多孔NiTi合金的孔隙特性和力學(xué)性能。隨著壓制壓力的增加孔隙度降低,但壓縮強(qiáng)度和彈性模量增加;

3、隨著燒結(jié)溫度的增加,孔隙度先增加而后降低,壓縮強(qiáng)度和彈性模量都隨燒結(jié)溫度的升高而提高;980℃燒結(jié)時(shí),孔隙度隨燒結(jié)時(shí)間先升后降,壓縮強(qiáng)度和彈性模量隨時(shí)間增加而增加。當(dāng)初始壓制壓力為100MPa、造孔劑含量為12wt％的生坯在980～C燒結(jié)8小時(shí)后,可以獲得孔隙度為53.2％,大孔平均孔徑在178μm的多孔NiTi形狀記憶合金。其抗壓強(qiáng)度為228MPa,彈性模量為4.8GPa,可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到2％。通過調(diào)整造孔劑的含量和分布可以制備梯度多孔

4、NiTi形狀記憶合金。隨著孔隙結(jié)構(gòu)由均勻向梯度轉(zhuǎn)變,壓縮強(qiáng)度和彈性模量提高。XRD分析表明,其燒結(jié)產(chǎn)物主要為TiNi(B2)、TiNi(B19')、Ti2Ni和TiNi3相。
　　 在熱爆反應(yīng)過程中,升溫速率、Ti粉的顆粒尺寸和生坯密度均影響熱爆反應(yīng)及熱爆產(chǎn)物的孔隙特性。在一定范圍內(nèi),隨著升溫速率的提高、Ti粉顆粒尺寸的減小和生坯密度的提高,熱爆反應(yīng)更加劇烈,反應(yīng)釋放的熱量較多,熱爆產(chǎn)物的孔隙度和平均孔徑增加。當(dāng)升溫速率為15℃

5、/min,Ti顆粒尺寸為44μm,生坯密度為50％,熱爆產(chǎn)物的孔隙度為55.3％,平均孔徑為287μm,抗壓強(qiáng)度為192MPa,彈性模量為4.2GPa,可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?％。XRD分析表明,熱爆反應(yīng)產(chǎn)物是均為NiTi金屬間化合物。合金中以TiNi相為主,同時(shí)可以觀察到少量的Ti2Ni和TiNi3相。
　　 在直流-脈沖陽極氧化過程中,當(dāng)電解液溫度、電解電流強(qiáng)度過高時(shí),陽極氧化釋放的熱量較多,電解液對膜的腐蝕能力增強(qiáng),膜的表面質(zhì)量下降

6、。當(dāng)硫酸電解液濃度為200ml/L,溫度為0～10℃,電解電流強(qiáng)度為直流3A、脈沖6A時(shí),粉末冶金和熱爆合成的多孔NiTi合金的表面及孔壁獲得了均勻的氧化膜,其膜層厚度均在180nm左右,比未陽極氧化的樣品明顯增加。陽極氧化后的兩種多孔NiTi合金樣品在模擬體液中浸泡15天后,在其表面形成連續(xù)的羥基磷灰石沉淀,其膜厚都在480nm左右。根據(jù)電化學(xué)分析可知粉末冶金和熱爆樣品經(jīng)陽極氧化以及沉積羥基磷灰石后,其維鈍電流密度明顯低于未陽極氧化的

7、試樣,這說明經(jīng)過一系列化學(xué)處理后多孔NiTi合金的耐腐蝕性能明顯提高。Ni釋放研究發(fā)現(xiàn)沉積羥基磷灰石后多孔NiTi合金中Ni的釋放量非常小,HA涂層能成功地抑制合金表面Ni的溶出,增加多孔NiTi合金的生物相容性。
　　 與利用梯度下降反向傳播算法或動量梯度下降反向傳播算法所建立的模型相比,自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率動量梯度下降反向傳播算法預(yù)測多孔NiTi合金力學(xué)性能的訓(xùn)練時(shí)間較短,預(yù)測精度較高。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可以減少實(shí)驗(yàn)工作量和提高工