富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

ZnO纳米颗粒掺杂对镍钛合金表面微弧氧化膜层形貌及性能的影响

针对镍钛合金在体内复杂生理环境的作用下受到腐蚀而释放大量镍离子的问题,向以NaAlO_(2)、C_(10)H_(14)N_(2)Na_(2)O_(8)、Na_(2)HPO_(4)·12H_(2)O为主要成分的电解液中添加ZnO纳米颗粒,通过微弧氧化技术在镍钛合金表面制备耐腐蚀陶瓷氧化膜层。采用帕累托法则和正态分布曲线分析ZnO纳米颗粒对氧化膜层孔隙率和孔隙尺寸的作用,通过SEM、EDS、电化学工作站以及水滴接触角来研究颗粒掺杂对氧化膜层微观形貌、化学组分、耐腐蚀性及润湿性能的影响。结果表明:颗粒掺杂后的氧化膜层更加平整致密,孔隙率下降65.3%,孔径平均值从0.518μm降至0.321μm;随着ZnO纳米颗粒的加入,复合膜层的O、Al、Zn含量增加,Ni含量下降,阻抗模值上升,动电位极化曲线明显地向右上方偏移,自腐蚀电位上升32.4%,而电流密度下降一个数量级。

添加钽对电弧熔丝增材制备镍钛形状记忆合金组织性能的影响

NiTiTa三元形状记忆合金(SMAs)是潜在的生物医用材料,且电弧增材制造(WAAM)技术已经广泛应用于NiTi合金的研究中,研究Ta添加对WAAM的NiTi合金组织性能的影响具有重要意义.利用WAAM技术分别制造了5层NiTi合金和NiTiTa合金薄壁构件,系统研究了Ta添加对NiTi合金的微观组织、相变行为、力学性能以及抗腐蚀能力的影响.结果表明,与NiTi合金相比,NiTiTa合金的晶粒显著细化,析出相由NiTi合金中的Ni3Ti转变为Ni(Ti,Ta)_(2).此外,其相变温度显著提高,导致了室温下的组织由完全奥氏体相(B2)转变为奥氏体(B2)和马氏体(B19’)的混合相.拉伸试验结果表明,NiTiTa合金试样相较于NiTi合金试样的抗拉强度提升了9.5%,但延伸率下降了6.8%.极化曲线结果表明,NiTiTa合金具有更高的自腐蚀电位和更小的腐蚀电流密度,抗腐蚀能力显著提升.本研究为促进WAAM制备的NiTiTa合金及其在生物医疗领域的应用奠定了研究基础.

医用镍钛合金性能特征及其表面改性技术研究进展

镍钛合金基于特有的超弹性、形状记忆性以及良好的物理机械性与生物相容性,广泛应用于介入医疗领域。同时,由于人体生理环境复杂,镍钛合金不可避免地存在镍离子释放和细菌黏附等问题,通过表面改性技术提升镍钛合金耐蚀性及生物相容性成为了镍钛合金的研究热点。简要介绍了镍钛合金的性能特征以及电火花表面改性、激光诱导、阳极氧化、自组装合成及化学改性等表面处理方法的最新研究进展。总结出微纳结构、元素类型等对镍钛合金表面润湿性、耐蚀性以及生物相容性的影响规律。指出采用多种表面改性技术复合的方法提升植入体性能是未来镍钛合金表面改性的主要方向。

钛合金化学镀镍前无损活化工艺

[目的]传统钛合金化学镀镍前处理通常采用浸锌,不仅操作繁琐,使用大量腐蚀性试剂,易损伤基材,并且对环境造成不利影响。本研究提出了一种高效且无损的钛合金化学镀镍前活化工艺,旨在解决上述问题。[方法]先采用电磁感应加热装置将钛合金表面加热至一定温度,然后采用雾化装置将活化液均匀喷淋到钛合金表面,形成一层结合牢固的镍颗粒层。通过正交试验对活化工艺进行优化。采用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、能谱仪(EDS)分析了活化层的表面形貌和成分。采用显微硬度计测量了所得Ni-P合金镀层的显微硬度,以及通过热冲击试验和划格试验评估了Ni-P合金镀层的结合力。[结果]经活化处理的钛合金表面生成了一层均匀且结合牢固的镍颗粒,随后通过化学镀得到了显微硬度达588.5 HV、结合力良好的Ni-P合金镀层。[结论]本研究提出的活化工艺避免了使用强腐蚀性试剂,不会破坏钛合金表面,具有环境友好、操作简单、成本低的优点,应用前景良好。

复合固体润滑剂与仿生织构对高镍钛合金影响的研究综述

高镍钛基合金(TiNi)具有低密度、高强度、耐腐蚀及耐高温等优点,广泛应用于航天、航空与机械工程等领域。但由于TiNi存在摩擦系数偏大、耐磨性能较差等缺点,因而改善TiNi摩擦学性能、延长TiNi零部件的使用寿命迫在眉睫。综述了以TiNi为研究对象探索固体润滑剂和仿生表面织构对TiNi摩擦学性能影响的研究成果,分析了摩擦表面形成润滑膜的过程和磨损机理。由于表面织构储存大量的固体润滑剂,降低了对摩球与基体表面的接触面积,有利于提升基体的减摩抗磨性能。在循环应力和摩擦热的共同作用下,固体润滑剂的塑性性能提升并挤出仿生织构,随着対磨球向摩擦表面迁移并进行铺展,促进了润滑膜的形成,有助于减摩抗磨性能的提升。

复杂载荷环境变厚度功能梯度组合梁镍钛合金钢丝绳非线性减振分析

本文对弹性边界和热环境下带有镍钛合金钢丝绳(NiTi-ST)的变厚度功能梯度材料组合梁(FGMs)的力学性能和非线性振动控制进行了研究。根据Euler-Bernoulli假设,建立了带有镍钛合金钢丝绳的变厚度功能梯度材料组合梁的能量表达式。基于瑞利–里茨法,求解了弹性边界和热环境下的变厚度功能梯度材料组合梁的固有频率和模态函数。通过有限元法(FEM)和理论结果的比较,验证了理论方法的正确性和收敛性,讨论了梁的厚度参数和环境的温度对系统固有特性的影响。此外,利用拉格朗日方程,推导了系统的动力学方程。应用谐波平衡法求得系统的幅频响应曲线,研究了镍钛合金钢丝绳的非线性减振性能。

钛镍记忆合金线分次牵张联合负压封闭引流修复慢性下肢皮肤缺损创面

目的探讨钛镍记忆合金线分次牵张联合负压封闭引流(VSD)修复慢性下肢皮肤缺损创面的治疗效果。方法回顾性分析2019年6月至2022年12月广州医科大学附属第五医院应用钛镍记忆合金线分次牵拉联合VSD修复30例慢性下肢小面积全层皮肤缺损创面患者的临床资料。创面缺损面积1.5cm×2.0cm~3.0cm×13.0 cm,观察患者术后伤口愈合情况,记录并发症及随访结果。结果住院时间8~35 d(平均16.8 d);所有患者伤口愈合均良好,愈合时间19~31 d(平均24.5 d),外观良好;术后和随访期间未出现创面裂开或感染。结论钛镍记忆合金线分次牵张联合VSD治疗一期无法缝合的下肢小面积皮肤全层缺损慢性创面简便有效,具有愈合时间短、外观良好等优点。

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。

镍钛合金表面微纳结构构建及其疏水性能研究

基于相对自由能和润湿方程,从平行沟槽方向和垂直沟槽方向探究镍钛合金表面单向沟槽阵列结构的润湿机制,建立Wenzel态和Cassie-Baxter态下的液滴接触角模型,分析不同尺寸参数下的接触角理论值。通过微铣削加工技术对镍钛合金表面进行改性处理,加工出所需的微结构,并采用VHX-5000超景深三维显微镜和JC2000D1型接触角测量仪测量分析其表面形貌、尺寸参数以及实际接触角。结果表明:微铣削制备的镍钛合金表面阵列结构尺寸精度较好,结构边界完整,满足设计要求;平行方向的实际接触角随着柱宽的增大而减小,最大静态接触角为145.4°,与平行方向的Cassie-Baxter态接触角趋势相符;垂直方向的Cassie-Baxter态理论接触角在数值上等于镍钛合金表面的本征接触角;同时垂直方向的实际接触角与Wenzel态接触角趋势不符,误差在42.1°内。

镍钛记忆合金环抱器手术治疗多发性肋骨骨折及连枷胸的临床研究

目的:镍钛记忆合金环抱器手术治疗多发性肋骨骨折及连枷胸的临床研究。方法:择取2021年4月—2023年4月期间60例多发性肋骨骨折及连枷胸患者的患者为研究对象,根据随机数字表法分组,设为对照组和研究组每组30例,对照组实施保守疗法,研究组实施镍钛记忆合金环抱器手术,对2组患者疼痛程度、住院时间、并发症发生率进行对比。结果:两组术后24h视觉模拟评分(VAS)未见明显差异(P>0.05),观察组术后48hVAS评分、术后72hVAS评分较对照组低(P<0.05);研究组止痛药使用量、住院时间、呼吸机使用时间均较对照组低(P<0.05);研究组术后并发症发生率较对照组低(P<0.05)。结论:对于多发肋骨骨折和连枷胸病人,使用镍钛记忆合金环抱器进行手术,可以缓解术后的疼痛,还能减轻止痛药使用量,缩短患者治疗周期,进而降低术后并发症发生的风险,值得推广。

镍钛形状记忆合金骨植入物中环氧乙烷残留量测定方法

目的:建立适合医疗器械产品镍钛形状记忆合金弹力聚合器环氧乙烷残留量测定的顶空气相色谱法。方法:采用气相色谱法-氢火焰离子化检测器进行检测,色谱柱为HP-INNOWax,柱温80℃保持15 min,进样口温度200℃,检测器温度250℃,氢气流量35 mL/min,空气流量350 mL/min,平衡时间40 min。结果:环氧乙烷在1~10μg/mL线性良好,方法检出限0.01 mg/L,精密度RSD=0.01%,回收率在86.6%~96.6%。为保证结果的准确性,样品应立刻测定,剪样面积应尽可能小。结论:该方法操作简单,检出限低,可以用于镍钛形状记忆合金骨植入物中环氧乙烷残留量的快速测定。

镍钛合金抓握式接骨板内固定术治疗创伤性多发肋骨骨折的临床观察

目的观察镍钛合金抓握式接骨板内固定术治疗创伤性多发肋骨骨折的临床效果。方法选取2020年6月至2023年6月医院收治的64例创伤性多发肋骨骨折患者为研究对象,按随机数字表法分为对照组和观察组,各32例。对照组行外固定术治疗,观察组行镍钛合金抓握式接骨板内固定术治疗。比较两组治疗效果、术后恢复情况、疼痛介质[5-羟色胺(5-HT)、P物质(SP)、前列腺素E2(PGE2)、神经肽Y(NPY)]水平、肺功能、血气分析及并发症发生情况。结果观察组治疗总有效率高于对照组,并发症发生率低于对照组(P<0.05);观察组术后疼痛评分低于对照组,下床活动、住院及骨折愈合时间均短于对照组(P<0.05);治疗后两组5-HT、SP、PGE2、NPY均有一定程度的升高,但观察组低于对照组(P<0.05);治疗后两组肺功能指标均明显改善,且观察组肺功能指标优于对照组(P<0.05);观察组治疗后动脉血二氧化碳分压低于对照组,血氧饱和度、动脉血氧分压高于对照组(P<0.05)。结论与外固定术相比,镍钛合金抓握式接骨板内固定术治疗创伤性多发肋骨骨折效果更加理想,术后患者疼痛轻,住院时间短,骨折愈合快,且肺功能改善显著,并发症发生率低。

前处理及热处理对钛合金化学镀镍层性能影响的研究

为满足新一代战机对减重的要求,钛合金作动筒正逐步替代传统的钢制作动筒。为提升钛合金表面硬度,增强其耐磨性能,开展了钛合金化学镀镍工艺研究,探索不同前处理及热处理方式对镀层性能指标的影响。采用硬度测试仪、扫描电镜、能谱测试仪等对镀镍后TC6钛合金的硬度、厚度、表面形貌、结合力、膜层成分及含氢量进行了检测分析。结果表明,前处理采用低压吹细砂+氢氟酸腐蚀活化,得到结合力良好的Ni-P合金镀层,镀层硬度在各个温度区间内分布均匀且随着温度升高而提升,真空炉399℃热处理,硬度可达900HV,含氢量为104.28ppm,满足产品使用需求。

SB-265 Gr.12钛镍钼合金焊接工艺研究

介绍了SB-265 Gr.12钛镍钼合金的化学成分与力学性能,对化学成分中各元素的作用进行了阐述,并对SB-265 Gr.12钛镍钼合金的焊接性以及焊接注意事项进行了介绍。工艺评定试验采用24 mm厚的SB-265 Gr.12板材,焊接采用钨极惰性气体保护焊(GTAW)焊接方法。焊接工艺评定试板经渗透检测(PT)、射线检测(RT)检测合格后,进行拉伸、弯曲、硬度等理化试验,试验结果满足标准及相关工程规范的要求。对焊接接头进行宏观金相及显微组织试验,宏观金相试验结果良好,母材的显微组织为α相+少量β相,基体上弥散分布着Ni_(2)Ti相,焊接热影响区的显微组织为α相+少量β相+Ni_(2)Ti相+片层状α’相,焊缝的显微组织为片层状的α’相+少量β相。

NiTi(镍钛)记忆合金肋骨环抱器内固定术治疗多发性肋骨骨折的临床疗效评价

研究多发性肋骨骨折实施NiTi(镍钛)记忆合金肋骨环抱器内固定术对患者的影响。方法 于2021年6月至2023年12月随机抽取两组研究对象,各40例,均确诊多发性肋骨骨折并选择镍钛记忆合金肋骨环抱器进行内固定手术治疗,包括切开复位内固定(对照组)与胸腔镜下内固定(观察组),从多角度(疼痛、康复情况、肺功能、并发症、生活质量等)对两组疗效展开对比分析。结果 入院时两组VAS评分差异小(P>0.05),术后各时间点的VAS评分对比,观察组均显著偏低,两组对比,观察组术后下床活动、呼吸机撤除、住院以及骨折愈合等时间指标均显著偏短,经治疗后各肺功能指标显著偏高,术后并发症率显著偏低,术后各生活质量显著偏高(P<0.05)。结论 多发性肋骨骨折首选内固定手术,而镍钛记忆合金肋骨环抱器则是内固定手术中最常用的材料,相较于应用广泛的切开复位内固定法,在电视胸腔镜辅助下的胸腔镜手术实现了微创,为疗效与预后的提高建立良好的基础条件。镍钛记忆合金肋骨环抱器+胸腔镜内固定手术的实施能够显著优化多发性肋骨骨折各项临床指标,疗效肯定,有着极高的借鉴价值。

腰椎椎体间镍钛记忆合金支架的生物力学分析

目的测试镍钛记忆合金支架的力学性能及用于腰椎间融合术的体外生物力学性能。方法通过力学测试机测试支架的力学性能,并在新鲜腰椎标本上模拟腰椎间融合术,对比分析镍钛记忆合金支架及其配套的骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨方法、传统盒状融合器用于腰椎间融合术的生物力学性能。结果镍钛记忆合金支架最大抗压强度为(12964±962)N,记忆特性有效范围内最大形变为(4.68±0.03)mm,形状恢复率为99.86%。相比于正常腰椎模型,单独使用镍钛记忆合金支架植入模拟腰椎间融合术后手术节段稳定性在前屈、后伸、侧屈、旋转方向上均有增加,与采用传统盒状融合器相当(P>0.05)。而在复合使用配套设计的自体骨粒-可吸收骨水泥混凝物植骨后,手术节段活动度进一步降低(P<0.05),节段稳定性与附加椎弓根螺钉内固定组相当(P>0.05)。镍钛记忆合金支架植入后的抗拔出强度弱于传统盒状融合器(P<0.05),在配合使用自体骨粒-可吸收骨水泥混凝物植骨时的抗拔出强度显著强于传统盒状融合器(P<0.05)。结论本研究的镍钛记忆合金支架同时配套设计了相匹配的骨粒-骨水泥混凝物植骨方式,为腰椎间融合术的进一步优化发展提供了新思路。镍钛记忆合金支架具有良好的支撑及形变性能,用于腰椎间融合术时与传统盒状融合器具有生物力学等效性,在复合应用骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨后能进一步提升稳定性和抗拔出强度。

湿热环境下铺设镍钛合金钢丝绳功能梯度梁的振动控制

本文提出了一种新型阻尼装置镍钛合金钢丝绳,它是一种具有线性阻尼、非线性阻尼的减振器.本研究将镍钛合金钢丝绳减振装置与功能梯度材料梁模型相耦合.采用龙格-库塔法和谐波平衡法分别从数值和解析两方面研究系统的共振响应.验证镍钛合金钢丝绳为功能梯度梁提供的减振效果.改变外部环境的温度和湿度,会影响梁模型的刚度,从而影响共振峰峰值,但不会影响镍钛合金钢丝绳的减振效果.仿真结果证实,镍钛合金钢丝绳是一种很有前景的非线性阻尼器,可作为抑制连续体结构振动的新方法.

镍钛形状记忆合金骨植入物镍离子释放的体外测试方法

目的镍钛形状记忆合金骨植入物临床使用过程中存在镍离子析出的风险,植入物镍离子释放在体内很难直接测试,为此本文建立一种镍钛形状记忆合金骨植入物镍离子释放的体外测试方法。方法选用磷酸盐缓冲盐溶液(phosphate buffer salt solution,PBS)作为测试液,用于植入物镍离子的浸提,将植入物置于带盖容器中,容器中装有PBS,将容器静置在温度稳定控制的恒温培养箱内(37±1)℃下,静置相应设置的时间点,每个时间点设1组空白试验和3个相同平行试样进行镍释放量测定,分别用石墨炉原子吸收光谱仪(atomic absorption spectrometer,AAS)和电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)设备测试溶液中镍离子浓度。结果随时间推移从器械中释放出来的镍离子浓度整体呈下降趋势,镍离子释放时点为4周时,释放周期结束,AAS测得镍离子释放量平均值为0.37×10^(-3)μg/(cm^(2)·d),累计释放量平均值为10.22×10^(-3)μg/cm^(2)。ICP-MS测得镍离子释放量平均值为0.29×10^(-3)μg/(cm^(2)·d),累计释放量平均值为7.9×10^(-3)μg/cm^(2)。AAS和ICP-MS两种测试方法测试结果差异性不大,结果数据的走势相同说明试验可重复性高。结论此方法可为镍钛形状记忆合金骨植入物的风险评估提供依据,确保植入物在临床使用过程中镍离子的析出不会对人体造成伤害,保证其临床使用的安全性。

纳秒光纤激光精密切割超弹镍钛合金薄板工艺技术的研究

超弹镍钛合金广泛应用于医疗器械、航空航天和电子行业。在实际应用中,需要对超弹镍钛合金进行精密切割,才能满足结构、尺寸和性能的要求。针对镍钛合金使用传统刀具加工困难、电火花线切割速度较慢、连续脉冲激光切割精度差、热影响区较大等问题,采用纳秒光纤激光对镍钛合金薄板进行了精密切割,系统研究了激光切割工艺参数、热处理工艺与切割质量的关系。研究结果表明,纳秒光纤激光切割未经热处理的镍钛板,采用优化的激光工艺参数可以满足尺寸精度的要求,切割速度可达25 mm/s,但切口挂渣比较严重。对镍钛板进行热处理后,采用优化的纳秒光纤激光切割工艺,可以满足尺寸精度的要求,切口无挂渣现象,可避免复杂的后处理过程,大大提高生产效率。同时,热处理工艺提高了镍钛板的超弹性。