生物医用多孔钛及钛合金激光快速成形研究进展

多孔钛及钛合金具有良好的生物相容性和与人骨更匹配的力学性能,是人体理想的替代材料,因此其制备技术及相关性能研究引起了广泛关注。激光快速成形是一项先进的制造技术,在制备生物多孔金属材料时具有独特的优势。介绍了激光快速成形的工作原理和技术特征,根据成形工艺特点简要回顾了4种代表性激光快速成形技术(选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光近净成形和激光立体成形)的国内外发展现状,并重点论述了这几种技术在制备生物医用多孔钛及钛合金方面的最新研究进展,最后指出了今后在该领域的主要研究工作。

选择性激光烧结技术在生物医用材料中的应用

阐述了选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)技术的工作原理、工艺特点及在制备生物医用材料方面的研究进展和应用现状,并探讨了今后SLS技术制备医用材料的发展方向。指出采用SLS技术可快速制造医用模型、个体化设计和生产植入体及组织工程支架,并可通过调整SLS和后处理的工艺参数,实现对生物医用材料的微观组织结构及力学性能的控制,在生物医学领域具有重要的应用价值。

氯化钽在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中电化学行为

采用循环伏安法,研究了0.25 mol/L Ta Cl5在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Bmim]PF6)中的电化学行为。实验结果表明,电沉积钽是受扩散控制、两步骤的不可逆电极反应过程,首先是Ta(Ⅴ)还原为Ta(Ⅲ),其次是Ta(Ⅲ)还原为金属钽和形成其它低价钽氯化物。Ta(Ⅴ)/Ta(Ⅲ)和Ta(Ⅲ)/Ta在离子液体[Bmim]PF6中的阴极传递系数分别为0.155和0.406。Ta(Ⅴ)在离子液体[Bmim]PF6中的扩散系数为1.629×10-9cm2/s。在100℃和-1.25 V条件下,采用恒电势法在铂片上电沉积钽,扫描电子显微镜照片和EDS分析表明,沉积物为钽和钽的低价氯化物。

球磨时间对Ti-13Nb-5Sn牙科合金耐蚀与耐磨性能的影响

采用粉末冶金法制备了Ti-13Nb-5Sn牙科合金,研究了不同球磨时间(3,12,24,48 h)对粉末特性、材料微观结构、电化学腐蚀和摩擦学行为的影响规律。结果表明:随着球磨时间从3 h增加至48 h,粉末形貌由大块状逐渐变成细小颗粒,部分Nb和Sn原子扩散到Ti晶格中,形成了一定体积的Ti(Nb)和Ti(NbSn)固溶体;等轴α-Ti减少转变为柱状的晶界α-Ti,网篮组织转变为魏氏组织;动电位极化曲线显示,合金在人工唾液(AS)和模拟体液(SBF)中的腐蚀电位(E_(corr))和极化电阻(R_(p))呈上升趋势,腐蚀电流密度(I_(corr))呈下降趋势,α-Ti减少,β-Ti增多,使得合金耐腐蚀性能提升;合金的硬度升高,而摩擦因数、磨痕深度和磨损率逐渐降低,细化粉末在烧结中会产生更多的晶界,使得合金的耐磨性能提升。机械合金化结合模压烧结制备的Ti-13Nb-5Sn合金显示了良好的耐蚀与耐磨性能,在牙科领域具有潜在的应用前景。

TFT-LCD产业中GOA单元不良的研究

通过对TFT-LCD制造过程中GOA单元不良原因的研究,提出了改善GOA单元不良的方法。分析表明静电放电(ESD)的发生在于电容瞬间释放的电流过大,导致过细的金属线熔化;沟道桥接和开裂的发生在于显影效应,显影方向以及图案密度,导致局部区域沟道光刻胶厚度偏厚和偏薄。采用静电分散释放的连线设计,ESD的发生率从5.4%降低到0.04%以下。GOA单元两侧增加测试图样(Dummy Pattern)的设计防止沟道桥接的发生,减压干燥(VCD)抽气曲线的调整和软烘(Soft Bake)底部温度的优化措施防止沟道开裂的发生,沟道桥接和开裂的发生率从13.4%降低到1.22%以下。

Li对7075铝合金钻杆材料微观组织与摩擦磨损行为的影响

采用热压烧结制备7075-(0%,0.5%,1%,2%,质量分数,下同)Li合金,研究Li对7075铝合金微观组织及摩擦磨损性能的影响。结果表明:7075-0.5Li合金在60 kN烧结压力下致密度可达到99%以上。铝合金由α-Al相、η相和S'相组成;随着Li含量增加至2%,η相减少,δ'相、δ相增多,但α-Al仍为主相。铝合金的硬度和磨损率分别为71.25HV和3.50×10^(-3)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),随Li含量增加,铝锂合金硬度降低,磨损率升高,但7075-0.5Li比铝合金的硬度更高,磨损率更低。7075-Li合金均发生了氧化磨损,同时还发生了黏着磨损。铝锂合金随Li含量增加,η相减少,硬度降低,Al2O3脆性大从而与基体结合较弱,微观组织枝晶间距增大,导致合金由磨粒磨损逐渐转变为黏着磨损,耐磨性能逐渐降低。与铝合金相比,热压烧结制备的7075-0.5Li合金显示了更好的耐磨性能。

钛合金羟基磷灰石骨植入复合材料的研究进展

钛及钛合金因具有高强度、低模量、优异的耐腐蚀性以及良好的生物相容性等优点,被广泛应用于生物医学领域,尤其是作为硬组织替换材料。然而,钛合金属于生物惰性材料,植入人体后难以与人骨实现良好的骨整合。以羟基磷灰石为代表的生物活性陶瓷能够诱导类骨磷灰石沉积和细胞攀附,但不能用于高承载部位。因此,为了改善植入体的生物活性,开发新型钛合金羟基磷灰石复合材料成为骨植入材料的研究热点。采用表面涂层法在钛合金表面制备羟基磷灰石涂层,能够显著改善基体的生物活性,但是存在两者结合强度不高、涂层易产生裂纹等缺点,需要从涂层成分、结构梯度化以及后处理等方面进行改进。粉末冶金技术能够使生物活性陶瓷与金属基体间实现冶金结合,却难以对材料组分分布和结构特征进行精确控制和调整。自然骨为由内部多孔松质骨和表面致密皮质骨组成的梯度结构,采用传统粉末冶金技术制备的骨科假体很难达到这一要求。增材制造技术可以个性化定制植入体,其逐层堆积的成形方式在梯度复合材料制备方面具有极大优势。近年来,研究人员尝试采用增材制造技术来实现植入体的成分复合化和结构梯度化,进一步调控其力学性能和生物学性能。本文总结了钛合金羟基磷灰石复合材料的研究现状,指出了目前研究中存在的问题,并进一步讨论了解决策略,最后提出了一种基于微滴喷射技术的钛合金羟基磷灰石多维梯度复合材料的增材制造方案,以期为开发功能复合的新型生物材料提供参考。

粉末冶金Ti-xNb-5Sn骨科合金的摩擦学行为

本工作采用粉末冶金方法制备了Ti-x Nb-5Sn(x=13%、16%、18%、20%,质量分数)合金,研究了Nb含量对其微观组织和摩擦学行为的影响规律。结果表明:粉末冶金法制备的Ti-x Nb-5Sn合金是典型的α+β型钛合金,α相随着Nb含量的增加逐渐减少,Nb含量为20%时β相的衍射峰成为主峰。合金的硬度和弹性模量随着Nb含量的增加而下降,分别在271HV~319HV和68~73 GPa之间变化。合金的摩擦系数随着Nb含量增多而提高,Ti-13Nb-5Sn合金的摩擦系数最小(0.41),Ti-20Nb-5Sn合金的摩擦系数最大(0.48)。合金的磨损率为1.36×10^(-3)~1.58×10^(-3)mm 3/(m·N)。随着Nb含量增多,合金的磨痕深度增加,分层现象逐渐加剧,并且有微裂纹出现。Ti-13Nb-5Sn合金的磨损机制为磨粒磨损,Ti-16Nb-5Sn合金和Ti-18Nb-5Sn合金以磨粒磨损为主、表面疲劳磨损为辅,而Ti-20Nb-5Sn合金以表面疲劳磨损为主。本研究证实Nb是一种β稳定剂,加入适量Nb可以降低合金的弹性模量,同时使其具有良好的耐磨性。粉末冶金制备的Ti-x Nb-5Sn合金是一种具有发展潜力的骨科修复材料。

基于喷射粘结工艺的陶瓷坯体后处理性能调控

商用设备在进行陶瓷坯体成形时不易对坯体组织进行调控,难以成形高致密坯体,且常压后处理强化效果较差.基于自开发成形系统和自有材料,通过调节成形粉末配方、调控铺粉层厚、切换铺粉方法等调控Al2O3坯体的成形组织,成形了相对密度为43.9%的高致密坯体。采用“陶瓷浆料渗透+分步烧结”综合化后处理流程研究了不同坯体组织的渗透强化机理,并以此为依据对预烧结过程进行调控,显著提升了高致密成形坯体的最终性能,常压烧结后相对密度达89.3%,抗弯和抗压强度分别为91.9 MPa和813.2 MPa。该研究所用材料、工艺和装备仪器门槛低、易操作,为制备高性能结构陶瓷提供了一种灵活、快捷的技术方案。

基于LS-DYNA的锤片机筛板冲击过程数值模拟

针对锤片机筛板在高转速下容易发生磨损断裂问题,利用LS-DYNA显式动力学分析软件,建立了Q345和Q420两种材料的本构模型和与应变率相关的失效模型,对比分析了不同的冲击速度对筛板强度的影响规律;通过与理论分析对比证明了数值模拟的可行性和有效性。模拟结果表明,筛板孔边缘强度对材料的依赖性不强,筛板在小角度偏置冲击下更容易断裂失效,在大角度偏置冲击下更容易剥落磨损,模拟结果可为筛板强度的优化以及锤片机的加工工艺参数制订提供理论依据。

新工科背景下非机类专业“工程制图”教学改革研究

鉴于新时代“新工科”建设对人才培养的新要求,针对工科非机械类专业在“工程制图”教学过程中存在的一系列亟需解决的问题,通过修订教学大纲、改革教学方法等方式进行教学实践改革,进而调动学生学习“工程制图”的积极性和主动性,提升学生的学习效率,提高“工程制图”课程的教学质量,培养满足新时代发展需求的复合型创新人才,服务于第二个百年奋斗目标。

生物医用多孔Ti-6Mo合金选择性激光烧结的结构特征和力学行为

采用选择性激光烧结金属元素Ti、Mo和粘结剂的混合粉末,制备了多孔Ti-6Mo合金,并研究了其结构特征和力学性能。结果表明,多孔Ti-6Mo合金的孔隙结构与烧结工艺有关,随着烧结温度从1000℃升高到1200℃,孔隙由三维连通孔变为相互孤立孔,孔隙率从58%下降到24%,孔径从112μm减小到43μm;多孔Ti-6Mo合金在室温为片层组织,均由大量α相和少数β相构成,并伴有微量α析出物;压缩应力-应变曲线表现为弹性变形、塑性屈服和断裂区三阶段,随着孔隙率降低,弹性模量和屈服强度分别在2.07-11.9 GPa和31.4-152.8 MPa增大,且相对弹性模量和相对屈服强度和相对密度之间遵循幂律关系。多孔Ti-6Mo合金的孔隙特征和力学性能均可满足自然骨要求,是一种可行的医用材料。