泡沫钛材料的制备与应用研究进展

泡沫钛是一种新型多孔轻金属材料,具有密度小,比表面积大,比强度、比模量高,耐蚀性好以及优异的生物相容性和生物黏附性等特点,使得材料结构性能与功能性能完美地结合在一起。本文综合阐述了泡沫钛材料的制备工艺及特点,并对其应用前景和目前制备中尚存在的不足等情况进行了分析,目的在于促进该材料性能结构的进一步改善,并获得更广泛的应用前景。

开孔泡沫钛力学性质的温度相依性

用粉末烧结法制备了相对密度为0．2的开孔泡沫纯钛材料，并在室温20～600℃温度范围内，对其压缩性能进行了测试，并从理论上分析了其杨氏模量、弹性极限和屈服强度对温度的相依性。结果表明：该开孔泡沫材料在室温下表现出脆性泡沫材料变形断裂特征；在200℃以及更高温度下，该材料表现出塑性开孔泡沫材料变形特征，其应力-应变曲线分为3个阶段，即弹性阶段，平台阶段和压实阶段。开孔泡沫钛的杨氏模量、弹性极限和屈服强度随着温度的升高而减小，其对温度的相依性可分别表示为：E^＊=1．5217×10^9-5．988×10^5 T，σel^＊=85．7-0．095T，σys^＊=99．1-0．16T＋7．02×10^-5T^2。

泡沫钛材料国内外研究现状及展望

泡沫金属不但具有金属优异的导电、延展等特性,而且还具有多孔材料的质轻、吸能、吸声等功能属性,已成为世界各国科研工作者研究的热点。而泡沫钛由于具有金属钛优异的物理和化学特性和多孔材料的特殊结构,在生物医用材料、抗冲击材料以及电池材料等方面具有广阔的应用前景。本文介绍了泡沫钛材料国内外的研究进展,包括它们的制备方法及应用情况,重点介绍了采用粉末烧结制备泡沫钛材料的方法,同时分析了泡沫钛材料现存的问题和发展趋势。

真空热加工制备高孔率泡沫钛的电磁屏蔽性能

利用真空热加工技术制备了具有不同结构的高孔率泡沫钛,研究了它们在无线电波频率范围的电磁屏蔽效能。这些泡沫钛样品的孔隙尺寸在毫米级,孔率都在85%以上。工作结果表明,这些泡沫钛具有明显的电磁屏蔽效能,低频段的屏蔽效果良好。在整个测试频率范围内,屏蔽效果大致随频率的增大而降低,超过某一频率值后,屏蔽效能曲线出现一个具有起伏性的平台。该平台区跨幅较大,包含数个吉赫兹的范围。分析还表明,本泡沫钛样品在低频区的电磁屏蔽机制主要是反射损耗,在频率较高的区间主要是吸收损耗。因此,上述平台出现在整个屏蔽效能曲线的低值区。

泡沫钛的制备技术及应用的研究现状

近年来,泡沫钛一直是泡沫金属研究中的热点之一。介绍了泡沫钛的主要制备方法:基于固态金属的制备方法,如粉末烧结法、粉体发泡法、浸浆烧结法、纤维烧结法、捕入气体压缩膨胀法、凝胶注模成型法、自蔓延高温合成法、快速成型法、等离子喷涂法、等离子体活化烧结法等;基于液态金属的制备方法,如铸造法(定向凝固法、自然凝固法、气体-金属共熔凝固法)。随着对泡沫钛研究的深入,发现泡沫钛具有密度低、比强度高,抗腐蚀渗透性强、能量吸收性好,隔热、隔声效果好等特优异的性能,不仅在钛及钛合金的传统应用领域有良好的应用前景,也将在过滤与分离、流体分布与控制、防撞与防震、隔热与绝热、吸声降噪、多孔电极、生物植入体等领域拥有广阔的应用前景。

网状结构高孔率泡沫钛的特性

网状泡沫钛属于弹脆性多孔材料,其压缩曲线的平台区为锯齿形,并在总体上呈缓慢增长的趋势;其平台区结束的极限应变较大,且密实化阶段的应力-应变曲线不是那么陡峭。采用浸浆烧结法制备获得了一种孔率在85%~90%之间、孔径分布在1~3 mm之间的网状泡沫钛。结果表明:该泡沫钛制品的热导率随着样品孔率的提高而明显地减小,且总体上具有良好的隔热性能,孔率为87%~89%的试样的室温热导率为0.4~0.8 W/(m·K)。此外,还测试该泡沫钛试样在200~6300 Hz声频范围内的吸声系数,发现其第一共振频率出现在4000 Hz左右,此时试样的吸声系数达到约0.9。

宏观大孔在泡沫钛烧结过程的体积变化（英文）

理论分析造孔剂技术制备的泡沫钛中宏观大孔在烧结过程体积减小、不变和增大3种条件下所获得的泡沫孔隙率。比较不同条件下孔隙率与造孔剂含量的关系,并对宏观大孔在烧结过程的体积变化进行探讨。结果表明,第一种情况下的孔隙率与造孔剂含量的关系取决于宏观大孔在烧结过程的体积减小量和骨架上微观小孔的体积,而另外两种情况下所获得的孔隙率大于造孔剂含量。理论分析表明所得宏观大孔在烧结过程的体积是减小的。

泡沫钛蠕变发泡动力学研究

通过对基于气体捕捉法制备的泡沫钛发泡过程进行分析,推导出泡沫钛蠕变发泡动力学方程,影响泡沫钛孔隙率的主要因素是发泡温度和基体的蠕变抗力。通过实验获取了不同温度条件下,孔隙率与发泡时间的关系曲线,并建立了其动力学曲线;利用金相显微镜对泡沫钛基体的微观组织进行了分析。研究表明,虽然发泡速率与发泡温度成正比,与基体材料蠕变抗力成反比,但是随着温度的升高,发泡速率并没有一直增加,原因是基体材料的微观组织结构也在发生变化,导致其蠕变抗力随温度的升高先减小后增大,由此证明了上述动力学曲线的合理性。

造孔剂法制备泡沫钛的研究现状与进展

泡沫钛融合了泡沫结构与金属钛的双重属性,具有出色的力学性能、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性等优点,在航空、航天、海洋工程、生物医学、能源与环保等领域应用前景广阔。基于粉末冶金技术的造孔剂法是目前制备泡沫钛的主流方法,不仅具有操作简单、设备要求低的优点,而且能通过调整造孔剂参数来控制最终制品的结构与性能。本文综述了造孔剂法制备泡沫钛领域的研究现状与进展,通过分析文献、整理数据,讨论了高孔隙率泡沫钛的研究历程和瓶颈问题,指出了泡沫钛孔隙率研究的发展趋势。

采用粗空心微球低压粉末冶金法制备空心微球复合泡沫钛(英文)

在低压下采用粉末冶金法，使用粗尺寸空心微球制备出不同相对密度的钛空心微球复合泡沫材料。在压力为60～70 MPa，通过冷压制备得到不同相对密度的泡沫钛。研究冷压压力与空心微球破碎倾向和相对密度的函数关系。研究制备的泡沫钛材料的压缩变形行为，考虑到实际应用，建立了平台应力、弹性模量、致密化应变和能量吸收之间的经验关系。对比泡沫钛和致密钛的性能指标，发现在工程应用中泡沫钛是致密钛的优秀替代物。

泡沫钛制备工艺及应用的研究进展

泡沫钛具有较小的密度、优异的力学性能以及独特的功能特性,广泛应用在航空航天、国防、海洋工程、汽车、生物医学等领域。介绍了泡沫钛的主要制备方法,包括烧结法、添加造孔剂法、浸渍法、凝胶浇铸法、3D打印法,对泡沫钛的压缩性能、吸能性能、生物相容性、电磁屏蔽性能、吸声性能、微动磨损性能等进行了讨论,并阐述了泡沫钛在生物医用、电池电极、航空航天等领域的应用前景。

镁还原四氯化钛法制备泡沫钛纤维材料的工艺研究

以液体金属镁、气体四氯化钛和氩气为原料,采用克劳尔法制备泡沫钛纤维材料,利用气体四氯化钛和液体金属镁发生置换还原反应,生成泡沫状的钛,简述了泡沫钛在钛坨中的主要产生部位。

镍钛泡沫合金对成骨细胞生物活性的影响

目的观察镍钛泡沫合金(PNT)在体外实验对细胞的生物安全性。方法选择PNT和镍钛致密合金(NiTi)材料(中南大学材料科学工程学院提供),以及纯钛(Ti)(宁波慈北医疗器械有限公司,中国);MC3T3-E1来源于中国科学院典型培养物保藏委员会细胞库。用PNT、NiTi、Ti 3种合金的浸提液,培养小鼠前成骨细胞MC3T3-E1。用CCK-8法检测细胞的增殖活性,碱性磷酸酶法测定细胞的分化能力,流式细胞术检测细胞早期凋亡情况。结果PNT组细胞增殖能力在第1天、第3天、第7天均明显小于NiTi组(P<0.001)和Ti组(P<0.001)。PNT组细胞分化能力在第1天、第3天、第7天均明显小于NiTi组(P<0.001)和Ti组(P<0.001)。PNT组细胞的凋亡细胞百分比在第1天、第3天、第7天均明显高于NiTi组细胞(P=0.001)和Ti组细胞(P<0.001)。结论PNT对细胞的增殖和分化的影响明显大于NiTi组和Ti组,更明显地抑制了细胞的增殖与分化能力,更容易导致细胞早期凋亡。

造孔剂大小对泡沫钛孔隙结构的影响

采用3种颗粒大小的尿素作为造孔剂,在造孔剂含量相等的条件下进行了泡沫钛的制备,考察了造孔剂大小对泡沫钛结构和力学性能的影响,讨论了造孔剂大小对烧结泡沫孔隙率的影响。添加粒度更小的造孔剂颗粒,有利于提高生压坯的致密度。小颗粒造孔剂制备的泡沫钛的孔径更小,孔棱的结构和厚度分别更加致密和均匀。改变造孔剂的颗粒大小,泡沫钛应力-应变曲线的弹性部分变化不大,坍塌平台有明显的变化。结果表明,泡沫钛的相对密度和杨氏模量随着造孔剂粒径的减小而微弱的增大,而抗压强度则明显的增大。分析表明,泡沫钛的宏观大孔在烧结过程的体积收缩量随着造孔剂粒径的减小而减小。

尿素作为造孔剂制备泡沫钛的结构和力学性能

采用针状尿素作为造孔剂,在造孔剂含量介于60%～80%的情况下进行了泡沫钛的制备。通过造孔剂技术成功地制备出孔隙率介于50.2%～71.4%的泡沫钛。扫描电镜结果表明,孔的连通程度随着造孔剂含量的增加而增加,当造孔剂含量超过70%时形成开孔泡沫钛。力学性能测试结果表明,力学性能随着孔隙率的增加而减小,试样的屈服强度、抗压强度和杨氏模量分别介于34.4～146.8 MPa、40.6～193.2 MPa和0.5～3.3 GPa。孔隙率为50.2%和71.4%的泡沫钛的杨氏模量分别匹配于皮质骨和松质骨的模量,理论上可作为潜在的骨替代材料。

泡沫钛孔隙结构及力学性能

通过挂浆烧结法制备了两种不同孔隙结构的泡沫钛,利用数码相机和扫描电镜对泡沫钛孔隙结构与形貌观特征进行了观察,通过静态的室温压缩试验,测试了泡沫钛的力学性能与吸能特性。研究发现,应用挂浆烧结法制备的泡沫钛继承了先驱体的结构特征,呈三维立体网状结构,且孔棱是非致密的,存在大量的微孔。泡沫钛是应变速率不敏感的,在应变速率3×10^(-4 )s^(-1)~1×10^(-2 )s^(-1)范围内,其屈服强度为1.00~2.38 MPa,且泡沫钛具有一定的吸能特性,细孔泡沫钛和粗孔泡沫钛的最大吸能量分别为0.78和0.22 MJ/m^3。

泡沫钛生长二氧化钛纳米管的制备

研究了泡沫钛孔隙表面生长二氧化钛纳米管的制备方法及二氧化钛纳米管的生长机理。利用与制备多孔陶瓷类似的方式,采用高温真空烧结法制备了多孔泡沫钛镍合金。对该泡沫合金进行了表面改性,通过阳极氧化法在多孔泡沫钛镍合金的孔隙表面生成了二氧化钛纳米管结构。借助于扫描电镜的观测和分析,对该二氧化钛纳米管的生长机理进行了表征和研究,同时考察了阳极氧化电压和时间对二氧化钛纳米管结构形貌的影响。结果发现,电压不变而延长氧化时间,纳米管层的厚度增大;氧化时间不变而提高电压,纳米管之间的分界越明显。

泡沫钛的制备和性能研究进展

近年来泡沫钛一直是泡沫金属研究中的热点之一。其主要的制备方法有粉末冶金法、浆料发泡法、捕获气体发生膨胀法、自蔓延高温合成法、气体-金属共晶凝固、快速成型法、纤维烧结法、等离子喷涂法、相变超塑性法、凝胶注模法、等离子体活化烧结法等,对其性能研究主要集中在结构参数、力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性等方面。对泡沫钛的制备和性能进行了综述,并对今后的性能改良和理论模型研究等方向进行了展望。

一种具有球形孔隙的高孔率泡沫钛合金

通过对粉体熔化发泡法的改进,制备了孔率高达90%的毫米级球孔泡沫钛合金。这种泡沫钛合金的压缩曲线包括弹性区、压缩平台区和"密实化"区等3个阶段。由于是脆性破坏,其中的压缩平台呈锯齿状。这种泡沫钛合金的压缩破坏是通过垂直于载荷方向的孔隙逐层坍塌破碎而不断推进的,"密实化"是碎块的不断堆积过程。孔壁上的微孔对该泡沫钛的吸声性能有利,未作任何处理的试样在1500-3000 Hz的声频范围内吸声系数最低为0.4左右,在3000-6300 Hz则吸声系数超过0.6,共振频率超过0.9。在较高声频段,这种泡沫钛试样的主要吸声机制为黏滞耗散。

泡沫钛合金的研究进展

泡沫金属是近年来发展的新型功能材料,它具有很多优异的性能。钛合金具有优异的物理和机械性能,泡沫钛集中了泡沫材料的功能和钛合金的优异性能,近年来成为研究的热点。本文综述了泡沫钛合金的制备方法、机械特性以及在军事和日常生活中的应用,并对泡沫钛以及泡沫钛铝合金材料的应用前景进行了展望。