多孔NiTi形状记忆合金研究进展

评述了近10年来国内外在多孔NiTi形状记忆合金研究和应用方面的最新进展,主要内容包括:(1)近年来多孔镍钛(NiTi)形状记忆合金的发展、微观结构特点、力学性能和功能性;(2)当前制备多孔NiTi形状记忆合金的主要方法以及优缺点;(3)多孔NiTi形状记忆合金的相变和超弹性行为,以及与致密合金的比较,最后,简要介绍了多孔NiTi形状记忆合金在生物医学领域作为人体硬组织植入和修复材料,以及智能结构和阻尼器件等方面的研究和应用前景,探讨了今后多孔NiTi形状记忆合金的研究重点.

多孔NiTi合金直流-脉冲阳极氧化表面改性研究

采用低温直流-脉冲阳极氧化技术对多孔NiTi合金表面进行改性,分析直流-脉冲阳极氧化过程,利用XPS、SEM、动电位极化对阳极氧化膜的组成、形貌以及耐腐蚀性进行研究,观察阳极氧化前后多孔NiTi合金在模拟人工体液中Ni离子释放行为。研究结果表明在直流3A、脉冲6A下阳极氧化的多孔NiTi合金表面形成了一层均匀的多孔氧化膜,其厚度在190nm左右,主要成分为Ti的氧化物,阳极氧化后多孔NiTi合金的耐腐蚀性显著提高,其Ni离子释放速率大幅度降低。

医用多孔NiTi合金表面溶胶-凝胶法制备TiO_2涂层

采用溶胶-凝胶法结合浸渍提拉工艺在多孔NiTi合金表面制备出了结构均一的锐钛矿型TiO2涂层,并在溶胶中添加聚乙二醇(PEG)作为造孔剂,进而在多孔NiTi合金表面制备出内层致密、外层多孔的TiO2复合涂层。SEM分析结果表明,TiO2涂层均匀地覆盖了多孔NiTi合金基体的外表面以及孔的内表面。Hanks溶液中的阳极极化曲线结果表明,与未处理的多孔NiTi合金相比,具有致密TiO2涂层的多孔NiTi合金其耐腐蚀性能有了显著提高。而多孔TiO2复合涂层进一步增大了多孔NiTi合金的实际表面积,提高了材料表面的生物活性。

高线性超弹性多孔NiTi合金的压缩力学行为

采用造孔技术结合粉末冶金烧结工艺制备多孔NiTi合金,并利用精密万能力学性能试验机对孔隙率为22.4%～60.6%的多孔NiTi合金样品进行循环压缩实验,以表征其压缩力学性能及超弹性。结果表明:所制备的合金经若干个应力─应变循环"训练"后其输入、输出能量可达平衡,应变水平高达4%,线性超弹性可靠,弹性模量稳定;循环加载条件下,残余应变量随孔隙率的增加而增大,但随循环数的增加而减小;残余变形与其影响因素之间可用双曲线函数关系描述。

采用新型硬脂酸造孔剂烧结制备多孔NiTi合金的结构及性能

采用可低温分解的硬脂酸颗粒为造孔剂结合梯级粉末烧结法制备了多孔Ni50.8Ti49.2合金,分析了其孔隙形貌、相变温度及力学性能等,并与采用碳酸氢铵和尿素造孔剂的多孔合金进行了比较。结果表明:采用硬脂酸造孔剂制备的多孔NiTi合金的孔隙接近球形、边缘圆整,孔隙率可控,合金具有优良的力学性能和稳定的线性超弹性;随着孔隙率的增大,其相变温度降低,抗压强度下降明显,形状回复率也降低;与另两种造孔剂相比,相同孔隙率下,采用硬脂酸造孔剂制备的多孔合金的力学性能较优,但形状记忆效应较差。

工艺参数对热等静压法制备多孔NiTi记忆合金孔隙特性的影响

采用不封装的热等静压法来制备多孔NiTi形状记忆合金,着重研究了不同工艺参数对孔隙特性的影响规律。结果表明:采用烧结时间3 h制备出的多孔NiTi记忆合金能得到令人满意的孔隙特征,分别采用100 MPa和400 MPa的冷压压力能够制备出两种完全不同孔状结构的多孔NiTi记忆合金,一种是均匀分布的结构,另外一种则是层状结构(多孔层-致密层-多孔层);而且,随着热压压力的增加,孔隙特征参数减小。

热爆反应合成多孔NiTi形状记忆合金的性能

利用热爆方法来制备了多孔NiTi形状记忆合金。研究了在不同热爆温度下制备出的样品与其机械性能之间的关系。结果表明:在1223K下热爆反应制备的NiTi合金,具有大的孔隙度,高开孔率和基本各向同性,同时表现出较好的超弹性。对断口分析发现,断裂为脆性断裂和韧性断裂的复合。这表明改善孔洞分布和形态,可以极大地提高多孔NiTi形状记忆合金的机械性能和超弹性。

多孔NiTi形状记忆合金的制备及性能

采用球磨后的NiTi合金粉末为原料,添加尿素作为造孔剂,利用粉末烧结法制备多孔NiTi形状记忆合金。研究烧结温度、保温时间和预成型压力等条件对制备的多孔NiTi合金组织结构和力学性能的影响。结果表明:相对于传统的Ni粉和Ti粉近等原子比混合烧结方法,此方法制备的多孔NiTi合金的相组成更加纯净。且随烧结温度升高,多孔NiTi合金的孔隙尺寸逐渐增大,孔隙分布趋于均匀,抗压强度增加。随保温时间的延长,孔径减小,液化现象明显,强度增加。在预成型压力的变化过程中存在最优值,选取最优值可获得组织特性较好的多孔合金制品。并最终确定在添加70%造孔剂时,预成型压力为150MPa,1050℃保温5h条件下可制备出性能优异的多孔NiTi合金。

自蔓延燃烧合成多孔NiTi形状记忆合金的显微组织和孔隙结构

以镍粉和钛粉为原料，采用自蔓延燃烧合成技术制备了多孔NiTi形状记忆合金，研究了压坯压力、镍含量、钛粉粒径等参数对合金孔隙尺寸、孔隙均匀性和显微组织的影响。结果表明：自蔓延燃烧合成的NiTi合金为螺旋分层结构；压坯压力在100-200MPa范围内再经自蔓延燃烧合成的NiTi合金的孔隙均匀，且为三维连通结构，比较理想；镍质量分数为40％左右时，孔隙的分布和三维贯通性均较理想；当钛粉粒径较大时，出现了大量的液相和NiTi2、Ni3Ti等杂质相，反应很不充分，钛粉粒径在50-100μm之间为好。

多孔NiTi形状记忆合金的力学性能的实验研究

本文介绍了NiTi形状记忆合金的应用前景,利用MTS材料试验机研究经过热处理的多孔NiTi合金在压缩时的应力—应变曲线。结果表明,在一定的热处理后,多孔NiTi合金具有形状记忆效应,同样利用差热分析仪也证明了这一特性。因此,这种合金在一定程度上满足生物医用材料的医学使用条件。

医用多孔NiTi形状记忆合金的研究进展

综述多孔NiTi形状记忆合金的制备工艺、生物力学性能及生物相容性等方面的研究进展。国内外的研究表明,多孔NiTi合金具有优良的生物相容性和高的力学性能,其独特的孔隙结构可保证组织的长入和体液的传输,使植入物与人体骨组织的结合更加牢固可靠,多孔NiTi形状记忆合金是一种具有良好应用前景的生物医用材料。

多孔NiTi记忆合金化学氧化和热氧化表面改性的对比研究

研究了多孔NiTi记忆合金在H2O2+HCl溶液中的低温化学氧化过程和500℃的高温热氧化过程。通过对比分析2种表面氧化处理后合金表面氧化膜的形貌、Ni/Ti比及膜层生长动力学曲线,探讨了多孔NiTi合金表面和孔内氧化膜的生长特点。结果表明,利用2种表面氧化技术在合金表面和孔内获得的氧化膜Ni含量均明显低于基体,且合金孔内氧化膜Ni含量低于表面氧化膜;多孔NiTi合金孔内的氧化对于与氧亲和力弱的Ni而言更加困难,孔内氧化膜的生长速率低于表面氧化膜的生长速率。

多孔NiTi形状记忆合金的制备工艺

以NH_4HCO_3为造孔剂,利用元素粉末混合烧结法制备了多孔NiTi形状记忆合金。研究了压制压力、烧结温度和烧结时间对多孔NiTi合金孔结构的影响,并分析了其物相组成。结果表明:随压制压力的增加,平均孔径和孔隙率逐渐减小;随烧结温度提高,多孔NiTi合金的平均孔径减小、孔隙率先增加后减少,孔隙分布趋于均匀;随烧结时间延长,多孔NiTi合金的平均孔径及孔隙率先增加后减少。在造孔剂添加量50%,压制压力250 MPa,烧结温度1000℃,烧结时间6 h条件下可制备出孔结构均匀(平均孔径为314μm,孔隙率56.3%)的多孔NiTi合金,其基体相为B2(NiTi)相。

多孔NiTi形状记忆合金中Ni的释放行为

多孔NiTi合金在生理盐水和模拟体液中的Ni释放速率远大于具有相同名义表面积的致密态NiTi合金.在恒定的静弯曲应变的作用下,多孔NiTi形状记忆合金Ni释放速率呈现增大的趋势.多孔NiTi合金在60℃的4 mol/L的NaOH溶液中浸泡24 h,然后在600℃进行1 h处理后,合金表面形成一层氧化膜,阻隔了浸液与基体的接触,明显降低多孔NiTi合金的Ni释放速率.

多孔NiTi形状记忆合金的制备工艺研究

介绍了制备多孔NiTi形状记忆合金的方法,研究了用粉末冶金法制备多孔NiTi形状记忆合金工艺及过程,结果表明:在140MPa压力下压制,在1223K下粉末冶金制备的NiTi合金,具有合适的孔隙度和较规则的孔形貌。

可变孔隙率多孔NiTi合金的内耗行为

研究了不同孔隙特征多孔NiTi合金的内耗与相变行为及其频率响应,提出用等效内耗参数表征多孔NiTi合金实体部分的阻尼能力。结果表明:多孔NiTi合金内耗峰产生的主要诱发因素是相变及应力诱发下各种界面(含孪晶界、相界面等)的迁移;在不同的加载频率下,多孔NiTi合金的内耗值曲线按双曲线规律变化;在相同的频率和振幅下,孔隙率、孔隙尺寸和开孔度的增加导致与界面迁移相关内耗幅值有所削弱;各内耗峰值温度也受到孔隙参数的影响;多孔NiTi合金的等效内耗峰值明显高于致密NiTi合金。

热等静压法制备多孔NiTi形状记忆合金

运用热等静压法(hot isostatic pressing,HIP),制备出多孔的NiTi形状记忆合金.制备出的多孔NiTi合金具有接近球状的孔,孔径在50～200μm,孔的分布均匀且各向同性.本文研究了多孔NiTi形状记忆合金在不同时效条件下的微观结构和马氏体相变行为,发现富Ni的多孔NiTi形状记忆合金的相变机制与富Ni致密NiTi合金相类似,时效后的冷却曲线出现两个峰,表示母相B2→R的转变和R→B19'的转变过程.

扫描云纹干涉法研究多孔NiTi形状记忆合金的微观形变特性

利用扫描云纹技术研究了多孔NiTi形状记忆合金在压缩状态下的微观形变特征．通过压缩变形过程中云纹密度和方向的改变分析了多孔合金孔壁边缘和心部应变场的变化．结果表明:多孔NiTi形状记忆合金的失效是由孔隙边缘的应力集中所引起的．在外加压缩载荷的作用下,多孔NiTi合金的孔壁边缘和心部除承受压缩应力外,还承受较大的剪切应力作用．在孔隙的尖角区形成了应力集中,并逐步产生裂纹．裂纹沿着与加载方向成45°角的方向向孔壁中心扩展,最终产生断裂．多孔合金断裂后在孔壁边缘区域产生很大的应变,而孔壁心部的应变较小,几乎没有发生塑性变形．最后结合云纹干涉的结果分析了多孔NiTi形状记忆合金的压缩行为特征．

多孔NiTi合金的化学氧化处理表面改性研究

在H2O2+HCl溶液中对多孔NiTi合金进行了化学氧化处理表面改性。利用EPMA、SEM、原子吸收光谱对合金表面氧化膜的组成、形貌及化学氧化处理前后的Ni离子释出进行了研究。结果表明,经过H2O2+HCl溶液化学氧化表面处理后合金表面Ni含量显著降低,在生理盐水中的Ni释放速率明显下降;H2O2+HCl溶液浓度和氧化时间均对合金表面氧化膜的生长有较大影响。

烧结时间对多孔NiTi形状记忆合金时效时马氏体相变的影响

采用DSC和SEM等研究了采用不封装热等静压法(CF-HIP)在不同烧结时间下制备的多孔NiTi形状记忆合金时效时的马氏体相变行为。结果表明:经1050℃烧结1h后,合金中主要含有Ti2Ni相和大块的Ni3Ti相,随着烧结时间的延长,大块Ni3Ti相逐渐消失,Ti2Ni相几乎没有变化;将烧结试样经450℃时效后,随着时效时间的延长,Ni4Ti3相在母相中逐渐析出长大,短时烧结试样的马氏体相变过程分为三步(B2→R,R→B19′和B2→B19′),而长时烧结试样的则为两步(B2→R和R→B19′)。