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.

医用镍钛合金表面改性研究进展

医用镍钛合金具有独特的形状记忆效应、超弹性、优良的力学性能以及生物相容性,被广泛用作外科植入材料。然而,过量镍离子析出可能导致过敏、炎症等不良反应;且医用镍钛合金属于生物惰性材料,对人体组织微环境缺乏响应性,需进行表面改性增强其耐腐蚀性,并赋予其特定的生物学功能。本文将常用的表面改性方法分为物理改性、化学改性和复合改性三大类;总结分析各方法的特点、优势和局限;介绍采用各方法对医用镍钛合金表面改性的相关研究进展;指出现阶段表面改性面临的问题;并展望了医用镍钛合金表面改性未来的发展方向。

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。

U形钛镍合金线辅助经脐单孔腹腔镜胆囊切除术236例疗效分析

目的:分析U形钛镍合金线辅助经脐单孔腹腔镜胆囊切除术的应用效果。方法:纳入2023年6月至2023年9月采用U形钛镍合金线辅助行经脐单孔腹腔镜胆囊切除术的胆囊结石患者,统计手术时间(麻醉开始到缝合结束)、U形钛镍合金线组装时间、术中并发症、增加Trocar数量、术后住院时间、术后并发症、住院费用等指标。结果:236例患者行U形钛镍合金线辅助经脐单孔腹腔镜胆囊切除术,U形线组装时间1.5(1.2,2.0)min,手术时间50.0(42.0,60.0)min,术中出血5.0(5.0,5.0)mL,无中转开腹,2例术中额外加孔。术后住院20(17,24)h,其中24 h内出院173例(73.3%)。术后并发症发生率为22.0%,术后疼痛发生率为15.7%,恶心呕吐发生率3.8%。随访最长约12个月,无切口疝、迟发型胆道狭窄发生,切口瘢痕隐匿。结论:U形钛镍合金线辅助经脐单孔腹腔镜胆囊切除术可充分暴露胆囊三角,减少筷子效应,腹壁损伤小,初步应用安全、有效。

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。

纳米镍颗粒改性钛合金微弧氧化膜的摩擦性能

目的基于微弧成膜机制形成的类陶瓷氧化膜层中存在大量孔洞、裂纹和凸起,使得膜层的致密性和耐磨性不够理想。通过在钛合金微弧氧化膜中引入镍,从而改善膜层的组织结构,提高膜层的抗磨性能。方法利用不同含量纳米镍颗粒的碱性电解液,在TC4钛合金表面制备微弧氧化膜层。利用SEM、EDS、XRD、XPS对微弧氧化膜层的微观结构、截面形貌、相组成和元素组成进行分析,采用显微维氏硬度计和摩擦磨损试验机检测膜层的硬度和摩擦学性能。结果纳米镍颗粒的引入,使得微弧氧化膜的厚度增加,提高了膜层的致密性。当纳米镍颗粒的加入量(质量浓度)为2 g/L,且微弧氧化时间为45 min时,膜层表面微孔分布均匀,凸起和微裂纹较少。微弧氧化膜主要由金红石相和锐钛矿相组成,进入膜层的Ni主要以NiO的形式存在。在添加2 g/L纳米镍颗粒、微弧氧化时间为45 min时,制备的膜层硬度为452HV,抗磨性能表现最好,其摩擦因数一直稳定在0.75左右,抗磨性能相较于基础膜层提升了约67%。结论适当加入纳米镍颗粒及采用合理的微弧氧化时间能够减少膜层的微孔和微裂纹,进一步提高膜层的硬度和抗磨性能。

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。

镍钛合金“变身”为超坚固弹性材料

日本国立材料科学研究所研究人员开发出一种新工艺,让镍钛合金“变身”为一种超坚固弹性材料。这种材料的坚固程度与钢相当,延展性却是钢的20倍,有望用于制造可变形机翼。相关论文发表于新一期《自然》杂志。想象一下,一架飞机在空中遨游,机翼能随着飞行速度的变化调整长度,以便更充分地利用空气动力。为实现这一梦想,工程师们一直在寻找一种既柔韧又坚硬,且能耐受飞行中各种严苛环境的材料。

镍钛记忆合金环抱器内固定在多发性肋骨骨折中的应用效果分析

目的分析探讨镍钛记忆合金环抱器内固定在多发性肋骨骨折中的应用效果。方法选取2019年1月至2021年12月洛阳市偃师区人民医院收治的60例多发性肋骨骨折患者作为研究对象,根据不同手术固定方式将其分为内固定组(32例)和外固定组(28例),内固定组患者采用镍钛记忆合金环抱器内固定治疗,外固定组患者采用胸部护板外固定治疗,对比观察两组患者疼痛程度、呼吸功能、临床疗效以及并发症发生情况。结果术后第3、7天,内固定组患者视觉模拟评分法(VAS)评分均明显低于外固定组(t=2.176、6.377,P=0.034、P<0.001);术后1个月,内固定组患者第1秒用力呼气容积(FEV1)、用力肺活量(FVC)及呼气流量峰值(PEF)均明显高于外固定组(t=3.067、2.516、3.108,P=0.003、0.015、0.003);术后3个月,内固定组患者治疗总有效率为93.75%,明显高于外固定组患者的治疗总有效率71.43%(χ^(2)=5.375,P=0.021);术后6个月,内固定组患者并发症发生率为9.38%,明显低于外固定组患者的并发症发生率32.14%(χ^(2)=4.838,P=0.028)。结论与胸部护板外固定相比,镍钛记忆合金环抱器内固定更能有效缓解多发性肋骨骨折患者疼痛程度,促进肺功能恢复,减少术后并发症的发生,临床疗效确切。

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。

胸腔镜下镍钛形状记忆合金接骨板内固定对多发性肋骨骨折患者围手术期指标及肺通气功能的影响

目的:探讨胸腔镜下镍钛形状记忆合金接骨板内固定对多发性肋骨骨折患者围手术期指标及肺通气功能的影响。方法:选取2022年1月—2024年1月枣庄市峄城区人民医院收治的64例多发性肋骨骨折患者作为研究对象,随机分为研究组和对照组,各32例。研究组采取胸腔镜下镍钛形状记忆合金接骨板内固定治疗,对照组采取传统开胸手术内固定治疗,比较两组围手术期指标及肺通气功能。结果:研究组手术时间、术后引流时间和住院时间均短于对照组,研究组术中出血量少于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。术后第1、3、7天,研究组肺活量、用力肺活量和第1秒用力呼气容积均高于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论:胸腔镜下镍钛形状记忆合金接骨板内固定治疗多发性肋骨骨折,能有效改善患者围手术期指标,提高肺通气功能。

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。