热塑性复合材料原位成型工艺及关键技术

介绍了原位成型工艺及其两项关键技术的研究与发展过程,根据原位成型技术应用于航天领域的典型型号,提出了原位成型工艺两项关键技术的指标,并对原位成型工艺未来的发展进行了展望。

制备工艺对骨组织支架材料聚磷酸钙降解性能的影响研究

通过对不同工艺参数的聚磷酸钙(CPP)多孔支架材料在三羟甲基氨基甲烷溶液(Tris)和模拟体液(SBF)中降解的比较研究,探索影响CPP降解的因素。采用不同的煅烧温度和烧料粒径制备了不同主晶型的CPP多孔支架材料,并在Tris缓冲液和SBF模拟体液中进行降解实验,时间为60d。X衍射谱检测CPP的结构,磷酸根浓度法检测CPP的降解速率。结果表明:三种晶型CPP的降解速率不同,α-CPP的降解速率最慢;煅烧温度越低,粒径越小,降解速度越快。制备工艺对CPP支架材料的降解规律有显著影响。

热塑性复合材料在线成型设备研究进展

热压罐成型技术已经成为制备超大尺寸航天飞行器的技术瓶颈,在线成型技术成为非热压罐成型技术的研究重点。然而,在线成型技术制备的热塑性复合材料性能只能达到传统热压罐成型技术的80%。消除与热压罐成型复合材料性能20%差距的关键在于突破在线成型设备中热辅助铺放头的设计制造技术,从工艺装备方面消除或降低影响热塑性复合材料性能的不利因素。本文介绍了在线成型设备的研究和发展过程,比较了两种主流热辅助铺放头即燃气辅助铺放头和激光辅助铺放头的优势和劣势。结合前期的实验结果,提出了激光辅助铺放头的技术指标,并对国内在线成型设备的发展前景进行了展望。

影响掺锶聚磷酸钙降解速率的工艺条件

目的:观察不同工艺条件下对掺锶聚磷酸钙降解速率的影响。方法:实验于2006-02/05在四川大学组织工程支架材料研究室完成。通过分别控制保温时间(3,5,7h)制备3种不同聚合度的掺锶聚磷酸钙烧料,将烧料分别在700,800,900℃下煅烧得到不同工艺条件的掺锶聚磷酸钙材料样品,并在三羟甲基氨基甲烷-氯化氢溶液中进行45d的降解实验。用31P核磁共振波谱仪检测其聚合度,扫描电镜观察其表面形貌变化,钼蓝比色法检测PO43-的质量浓度以表征其降解速率。结果:①31P核磁共振波谱表明,随着保温时间的延长,掺锶聚磷酸钙的聚合度逐渐增大,3种掺锶聚磷酸钙烧料的聚合度分别为9,13,19。②掺锶聚磷酸钙降解速率并不随聚合度增长而呈一单调变化的趋势。在相同的煅烧温度下,掺锶聚磷酸钙的降解速率由高到低分别为聚合度为13,9,19的掺锶聚磷酸钙。聚合度为13的掺锶聚磷酸钙降解液中PO43-的质量浓度达到0.44g/L;相同保温时间下,掺锶聚磷酸钙的降解速率随煅烧温度的升高而增大。③扫描电镜显示,降解速率快的掺锶聚磷酸钙表面有CaP沉积物。结论:不同工艺条件下掺锶聚磷酸钙的降解速率不同,通过调节保温时间和煅烧温度可以在一定程度上调控掺锶聚磷酸钙的降解速率。

熔体搅拌法制备高阻尼铝基复合材料的组织与性能

利用高剪切液态搅拌专利技术制备了5%Gr/A356、15%SiCp/A356、5%Gr+15%SiCp/A356铝基复合材料,对所制备复合材料的金相组织、力学性能和阻尼特性进行了初步分析。结果表明:利用高剪切液态搅拌专利技术能够成功制备出SiC颗粒和Gr颗粒分布均匀的高阻尼铝基复合材料,颗粒的体积分数可以精确控制。SiC颗粒和Gr颗粒作为增阻剂可以提高复合材料的阻尼特性,当阻尼测试频率为1Hz时,Gr颗粒界面间粘滞性损耗作用显著。以位错运动内耗为主的情况下,复合材料的阻尼性随震动频率的升高而增加。

炭纤维/聚醚醚酮复合材料的激光原位成型工艺探究

为扩大热塑性树脂基复合材料在航空航天领域的应用,选择了一种具有优异力学性能和热性能的聚醚醚酮树脂作为基体,对激光原位成型技术在热塑性树脂基复合材料成型的可行性进行探索。采用溶液浸渍法制备T700炭纤维/聚醚醚酮预浸胶带(预浸带),通过激光原位成型方式缠绕制备T700炭纤维/聚醚醚酮复合材料NOL环(NOL环),探索不同成型工艺条件下NOL环的层间剪切性能,优化出适宜的激光原位成型工艺参数。结果表明,预浸胶带在含胶量为33.6%时韧性好,并且具有较好的拉伸性能;通过层间剪切性能测试,当缠绕速度为3 m/min、激光输出电流为40 A、芯模温度为290℃、压辊压力为150 N时,激光原位成型的NOL环层间剪切性能较为优异,这为激光原位成型热塑性树脂基复合材料在固体火箭发动机复合材料壳体上的应用提供了工艺参考。

D,L-聚乳酸降解产物对内皮细胞生长影响的体外实验

目的:观察D,L-聚乳酸体外降解规律和降解产物对内皮细胞生长的影响。方法:实验于2006-06/12在四川大学细胞相容性研究室完成。将D,L-聚乳酸膜在生理盐水中体外无菌降解120d。①计算失质量率:失质量率(%)(降解前本体的质量-降解后本体的质量)/降解前本体的质量×100%。②测定黏均相对分子质量:用乌=氏黏度计外推法测降解后本体的特性黏度,特性黏度与黏均相对分子质量关系式为:η=2.21×104M0.77。③测定降解液的pH值。④乳酸标准曲线的制备:将乳酸稀释为0.16,0.08,0.048,0.032,0.016,0.008g/mL,于262nm的波长处测定吸光度值,对乳酸质量浓度做标准曲线。⑤将不同降解时间的降解液与内皮细胞共培养,分为3组,实验组分别加入不同降解时间的未经稀释的降解液100μL和新鲜培养基100μL,阴性对照组加入生理盐水100μL和培养基100μL,空白对照组加入培养基100μL,各组分别培养1,2,3,4,5,6d。采用MTT法测定内皮细胞的生长。结果:①失质量率:在最初2周内,失质量率增大较快。在20～70d失质量率变化不大。在80～120d失质量率快速增加。②黏均相对分子质量:从开始降解到70d,黏均相对分子质量呈直线下降趋势,之后随时间延长而趋于平缓,且相对分子质量很小。③pH值:前30dpH值下降很快,从6.32降到4.56;在30～70dpH值反而有所上升,上升到5.39;之后急剧下降,在120d时达到2.29。④乳酸的质量浓度:随降解时间延长而增大,前20d达到5.8g/L,70d为16.7g/L,120d时达到24.4g/L。⑤不同降解时间的降解液作用下内皮细胞的生长情况:前70d的降解液对内皮细胞生长有促进作用,70d后的降解液明显抑制内皮细胞生长,到120d时降解液使内皮细胞表现显著的细胞毒性,细胞出现凋亡。结论:D,L-聚乳酸膜降解后,70d前降解液促进内皮细胞生长,70d后至120d降解液对内皮细胞生长的影响从抑制作用到细胞毒性逐渐增强。本实验表明D,L-聚乳酸的降解产物在局部积累达一定浓度后对内皮细胞生长的微生态环境有极大的改变,将导致细胞毒性增强,甚至细胞凋亡。

掺锶聚磷酸钙的微观结构、体外降解性能和血管内皮细胞相容性研究

以聚磷酸钙(CPP)为对照,研究掺锶聚磷酸钙(SCPP)微观结构、体外降解产物和速率以及血管内皮细胞相容性,探讨了掺锶对CPP结构性能的影响。结果表明,掺锶改变材料的微观结构与降解性能。与CPP相比,SCPP材料晶粒变大,晶粒间连接更紧密形成平整表面;14 d SCPP降解释放的Ca2+和P i浓度显著下降,即降解速率变慢,降解产物中出现Sr2+,且浓度随时间增加。体外细胞培养结果显示,掺锶能提高材料与血管内皮细胞的相容性。SCPP表面内皮细胞更易粘附、铺展,融合生长形成单层内皮覆盖材料表面。SCPP降解液能显著促进内皮细胞的增殖(p<0.05),经多元逐步回归分析知,降解液中的Sr2+为影响增殖的主要因素(R2=0.670,p<0.01)。SCPP较CPP具有更好的血管内皮细胞相容性,可能促进血管的形成,是更理想的骨组织工程支架材料。

Al-12.5Si-3Cu-2Ni-0.5Mg铸造合金热处理工艺设计

采用相图计算软件Pandat建立了Al-xSi-3Cu-2Ni-0.5Mg系合金、Al-12.5Si-xCu-2Ni-0.5Mg系合金平衡相图及Al-12.5Si-xCu-2Ni-0.5Mg合金相含量随温度变化曲线,结合DSC曲线对Al-12.5Si-3Cu-2Ni-0.5Mg铸造合金的热处理工艺进行了设计。结果表明:利用Pandat相平衡热力学软件计算平衡相图,结合DSC曲线来设计Al-12.5Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金热处理工艺是可行的;确定获得最佳室温和高温力学性能的热处理工艺为500℃×2h淬火+215℃×4h空冷;热处理后其室温力学性能平均值为σb=356MPa、δ=0.7%,高温力学性能(350℃)平均值为σb=139MPa、δ=3.5%。

LY12装甲铝合金焊接残余应力研究

采用钻孔_电测法对LY12铝合金垂直于焊缝方向的焊接残余应力及其分布规律、产生的原因进行了分析,探讨了残余应力的消除措施.研究表明:板厚为6mm的LY12铝合金的焊接残余应力呈双向应力状态;垂直于焊缝方向的残余应力,在焊缝上的应力较大,沿远离焊缝方向逐渐减小,纵向残余应力σx比横向残余应力σy大得多.热处理后的结头强度为236.5MPa,比未处理的强度提高58.7%.

骨修复材料聚磷酸钙聚合度对其显微结构及体外降解性能的影响

目的:观察骨修复材料聚磷酸钙聚合度对其显微结构及体外降解性能的影响。方法:实验于2006-02/05在四川大学组织工程支架材料研究室完成。通过控制煅烧时间制备得到具有不同聚合度的聚磷酸钙材料。使用液相31P核磁共振法对聚磷酸钙聚合度进行测定。同时,采用X射线衍射仪及扫描电镜对试样进行表征。以生理盐水为递质,进行32d的体外降解实验,在不同时间使用钼蓝光度法对降解液中磷的质量浓度进行测定,降解过程中计算失重率:失重率(%)=[(W0-Wt)/W0]×100%。结果:①聚磷酸钙聚合度随着煅烧时间(3,5,7,10h)的延长而增加,分别为9,13,17,19。②X射线衍射结果表明,聚合度对聚磷酸钙晶型无影响。③扫描电镜图片显示当聚合度大于9时,晶粒清晰可见。同时,晶界变薄,即非晶区变少。④32d体外降解实验结果表明,聚合度为13的聚磷酸钙材料的降解速率最快,失重率约是聚合度为9,19的3倍。结论:不同聚合度的聚磷酸钙的显微结构不同并对其降解性能有一定影响,通过改变聚磷酸钙的聚合度从而调节其降解速率,配合其他影响因素对降解速率的调控可以达到满足临床骨修复要求。

卫星构件用M40J/BA204复合材料性能

针对卫星构件的不同需求,开发了一种芳香胺固化的环氧树脂BA204。研究了无溶剂及溶剂法成型的M40J/BA204复合材料力学、真空放气性能和管件在模拟温度交变条件下的性能变化情况。结果表明:两种方法制备的复合材料力学性能均能满足卫星构件要求,无溶剂法制备的复合材料力学性能优于溶剂法。采用无溶剂法制备的M40J/BA204复合材料其真空质损率为0.23%,可收集挥发性凝聚物为0.009%;复合材料管件经200次热循环冲击后力学性能变化不大,表明M40J/BA204复合材料具有良好的热稳定性。

SCPP降解产物对血管内皮细胞迁移、增殖和F-肌动蛋白重组的影响

目的研究骨组织工程支架材料掺锶聚磷酸钙（strontium-doped calcium polyphosphate，SCPP）的降解产物（degradation products，DPs）对血管形成密切相关的内皮细胞迁移、增殖和肌动蛋白微丝（F-actin）重组的影响，探索其对骨组织工程血管化的作用。方法在聚磷酸钙（calcium polyphosphate，CPP）制备过程中掺锶制备SCPP多孔支架材料。生理盐水为降解介质，等离子体发射光谱检测降解液中DPs及浓度。用降解液处理脐静脉内皮细胞株ECV-304，噻唑蓝法和Millicell小室法分别检测细胞增殖和迁移。标记F-actin，荧光显微镜下观察。结果与CPP和生理盐水组比较。结果掺锶前后，孔隙率分别为（65±5）％和（64±5）％。SCPP各天降解液中Sr浓度为1．222～1．808mg／L，约为CPP组的20～40倍，但Ca和P较低。SCPP组细胞增殖和迁移数显著高于CPP组和生理盐水，细胞中F-actin重组形成应力纤维数量明显增多。结论SCPP的降解液能明显促进ECV-304的增殖。Sr是影响增殖的关键因素，SCPP降解液还能促进ECV-304的迁移，引起F-actin重组，形成与细胞迁移密切相关的应力纤维可能是促进迁移的原因之一。SCPP用作骨组织工程支架可能促进血管形成。

巨噬细胞对掺锶聚磷酸钙降解行为影响的体外研究

目的通过设计巨噬细胞在体外对SCPP的降解实验,为骨组织工程支架材料掺锶聚磷酸钙(SCPP)体内降解规律的研究提供基础和参考。方法制备SCPP支架材料,将该材料与巨噬细胞RAW264.7培养6周以研究细胞介导的降解。用扫描电镜(SEM)观察细胞及材料形貌;复合电极测量培养液pH值变化和用等离子体发射光谱检测培养液中的Ca2+、磷(Pi)、Sr2+浓度。结果SEM结果表明,培养细胞后材料孔径与粒径均减小,表面粗糙度增大,降解显著;细胞组培养液pH值在6.87～7.17之间,明显低于对照组;细胞组培养液中Ca2+、Pi、Sr2+释放量明显高于对照组。细胞介导的降解速率约为对照组的5倍,且Sr2+浓度在正常生理范围内。结论在SCPP降解过程中,巨噬细胞加速了SCPP的降解,并在降解过程中起到主导作用。

高性能纤维增强聚醚醚酮复合材料挤出成型增材制造现状与挑战

材料挤出成型是一种典型的增材制造技术,其通过高温加热,将热塑性聚合物或其复合材料熔融挤出,而后逐层累积成型。它具有无需模具、可成型复杂零部件、低成本等显著优势,在生物医疗、航空航天、汽车工业等多个领域有着广泛的应用前景。聚醚醚酮作为一种半晶态超强热塑性聚合物,其纤维增强复合材料具有轻质高强、热稳定性好、化学稳定性佳等优异特性。利用材料挤出成型工艺制备纤维增强聚醚醚酮复合材料,可实现零部件的高性能低成本快速制造。介绍了纤维增强聚醚醚酮复合材料挤出成型制造技术的发展现状,分别从成型工艺机理、技术发展及性能对比等几个方面展开论述,并系统分析了未来技术发展所面临的挑战。

聚磷酸钙多孔材料在模拟体液中的降解规律初探

从组织工程材料学角度研究和开发可控生物降解材料是生物材料科学和工程的主要任务之一。通过体外模拟实验,揭示影响材料降解的各种因素,对实现材料可控降解将具有重大意义。本文对不同晶型的聚磷酸钙多孔支架材料,对比其在模拟体液和三羟甲基氨基甲烷缓冲液中的降解规律,结果表明体液中无机成分对聚磷酸钙支架材料的降解特性有明显影响,在模拟体液中进行聚磷酸钙的模拟降解更接近体内环境,因而更有利于揭示聚磷酸钙的体内降解规律,此结果为实现聚磷酸钙的可控降解提供有用的参考。

一种氰酸酯-环氧树脂作为卫星结构件复合材料基体的评价

制备了氰酸酯树脂质量分数为75%的氰酸酯-环氧树脂(CE75)及高模碳纤维增强CE75(CF/CE75)的复合材料,研究了该树脂的工艺性,确定了其固化制度,考察了树脂的耐热性和力学性能,并在模拟空间环境条件下,考察了高模CF/CE75复合材料管件的力学性能和真空逸气性能。试验结果表明,CE75树脂具有良好的工艺性,适合湿法缠绕成型工艺。CE75树脂固化物表现出良好的耐热性,其玻璃化转变温度为195.6℃,起始热分解温度为368.6℃。高模CF/CE75复合材料抗空间环境性能优异,在真空环境下,复合材料真空逸气性能满足航天标准要求,经冷热循环(-196~130℃)200次后,管件力学性能保持率大于96%。高模CF/CE75复合材料是抗空间环境材料的理想候选材料。