多孔镍钛的制备及碳、氧杂质对其性能的影响

摘要

NiTi形状记忆合金由于具有独特的形状记忆效应、优良的生物相容性和很强的耐腐蚀性能，而广泛应用于医学领域。而多孔NiTi除了上述特性外，由于存在多孔结构还有以下两个优点:第一，连通的开孔使得骨组织能够沿着孔隙往里生长，促进骨组织的再生，从而能够改善植入体材料与骨组织的界面结合强度。第二，孔隙的存在能有效降低植入体材料与骨组织弹性模量不匹配度，避免应力集中。因而被认为是一种理想的硬组织新型修复和替换材料。
　　本文采用传统粉末冶金法，通过加入造孔剂NaCl制备多孔NiTi合金。研究了烧结温度、造孔剂的粒径和添加量对多孔NiTi合金的孔隙结构因素和机械性能的影响;通过在空气中进行时效条件处理，得到不同C、O含量的多孔NiTi试样，系统研究C、O含量对多孔NiTi合金的相转变温度和机械性能的影响，结果表明:
　　随着烧结温度的升高，多孔NiTi合金孔隙率先升高，后降低。在1050℃达到了孔隙率和开孔率最大，同时多孔NiTi合金的断裂强度和断裂应变随烧结温度的升高都有所增大，可以确定粉末冶金制备多孔NiTi合金的最佳瞬时液相烧结温度为1050～1100℃。
　　同一造孔剂添加量下，造孔剂的粒度对试样孔隙度和机械性能的影响很小，但影响孔径的大小与分布，随着造孔剂粒度的减小，多孔NiTi合金的孔径也随之减小，选用粒度为60～100目NaCl为造孔剂所得多孔NiTi的孔径范围为50～300μm，具有良好的的形状回复性能，甚至优于致密NiTi合金的形变回复率。
　　同一造孔剂粒径下，随着造孔剂含量的增加，孔隙度增加，制备出了孔隙度范围为39.1％～72.3％的多孔样品，同时孔径大于50μm的孔隙增加。添加体积分数为50％、60％和70％的造孔剂所得多孔NiTi孔隙度分别为55.2％、64.5％和72.3％，孔径大于50μm的比例在45％以上，且形成了连通的孔隙结构。同时，随造孔剂含量的增加，多孔NiTi合金的弹性模量降低，范围在1.5～10.8GPa之间，与骨的弹性模量(0.1～27Gpa)很相近，并且可以通过调节工艺得到具有所需要的孔隙率和弹性模量试样。
　　空气下300℃保温不同时间时效，其C、O含量增加较少，变化不明显;而随着时效温度的提高，C、O含量显著增加，特别是当温度达到600℃时，试样中O含量达到4.3％。其中C、O含量主要以 TiC、TiO2和Ti4Ni2Ox的形式存在，随着O含量的显著增加，Ti4Ni2Ox含量明显增加并聚集长大。
　　随着C、O含量的增加，相转变温度下降，机械性能开始改变不明显，而当O含量由1.83％增加到4.30％时，由于Ti4Ni2Ox的大量聚集长大使得机械性能骤然下降，在达到8％之前即已经失效。图44幅，表12个，参考文献76篇