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作者：张道瑞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

镍钛形状记忆合金力学性能优异,还具有独特的形状记忆效应和超弹性,除此之外镍钛形状记忆合金的耐腐蚀性好,拥有比其他金属材料更好的生物相容性,使其在各个领域都得到了广泛的运用,如工程领域和医疗领域,表现出了良好的应用前景。目前... 详细信息

镍钛形状记忆合金力学性能优异,还具有独特的形状记忆效应和超弹性,除此之外镍钛形状记忆合金的耐腐蚀性好,拥有比其他金属材料更好的生物相容性,使其在各个领域都得到了广泛的运用,如工程领域和医疗领域,表现出了良好的应用前景。目前镍钛形状记忆合金的主要加工工艺以塑性加工为主,加工对象多为棒材和丝材,加工方式也多为挤压和拉拔,随着工业生产的不断发展,镍钛形状记忆合金板材的应用越来越广泛,但是关于其板材加工的相关研究较少。镍钛形状记忆合金板一个重要应用就是用来制造生物医用接骨板,而生物医用镍钛形状记忆合金接骨板通常需要热冲压成形。冲压成形工艺是一种应用广泛的塑性成形工艺,生产效率高,零件一致性好,生产成本低,但是很少用于镍钛形状记忆合金板材的加工。本课题以镍钛形状记忆合金环抱接骨板的成形为研究目标,以镍钛形状记忆合金块体材料为切入点,用数学表达式建立镍钛形状记忆合金的本构行为,并对其在高温变形过程中的的动态回复和动态再结晶现象进行深入分析,研究镍钛形状记忆合金的高温热加工性能,并对块体镍钛形状记忆合金的轧制成形进行研究,并针对最后轧制成形的镍钛形状记忆合金板材,进行镍钛形状记忆合金环抱接骨板的冲压成形数值模拟研究,为镍钛形状记忆合金环抱接骨板的成形工艺提供重要的理论基础。本课题采用的试样是镍原子含量为50.7at.%的镍钛形状记忆合金圆柱体(直径为6mm,高为9mm),经过850℃、2小时固溶处理后进行不同变形温度(650℃～950℃)、不同应变速率(0.0005s-1～0.5 s-1)条件下的高温压缩实验获取应力应变曲线。通过曲线可以分析出,变形温度的升高会导致流动应力的降低,而变形速率与变形温度相反,提高速率会使流动应力升高。根据高温压缩实验所得数据进行线性拟合,建立镍钛形状记忆合金的高温本构方程,同时在此方程的基础上,考虑了应变对材料应力的影响,建立了 NiTi合金基于应变补偿的高温本构方程。通过与实验数据对比分析,所构建的应变补偿本构方程能够较好的描述NiTi合金高温流动行为。NiTi合金成形工艺的数值模拟可以在NiTi本构方程基础上进行,同时取NiTi合金应变分别为0.3、0.6和0.9时的真应力,建立了 NiTi合金不同应变下的热加工图。本文采用电子背散射衍射实验研究了不同变形温度(650℃～950℃)和不同应变速率(0.0005s-1～0.5s-1)的塑性变形原理机制及微观组织演化规律。在NiTi合金在高温下进行塑性变形时,除了可以看出加工硬化的现象,还有动态软化现象的存在,两者之间互相影响。当NiTi合金在650℃发生塑性变形时,此时温度较低,不足以使NiTi合金动态再结晶行为充分进行,所以此时动态回复起主要软化作用,逐渐提高变形温度,软化效应出现的原因由动态回复变为动态再结晶。为了获得性能优良的NiTi合金板材,可以通过热轧工艺进行制备。本论文使用DEFORM-3D有限元软件建立了 NiTi合金热轧的有限元模型,模拟了不同轧制温度(750℃～950℃)、不同轧制速度(0.1m/s～0.3m/s)和不同轧制压下量(10%～30%)等主要参数对轧制成形的影响,研究分析了不同条件下轧制变形区的温度场、边裂损伤和轧制载荷,并且分析了不同宽幅比镍钛形状记忆合金板材的边裂损伤。轧制件的温度场分布表明,在轧制过程中出现了温升现象,而温升现象产生的原因是由于镍钛形状记忆合金轧板在变形过程中会做功并转换为热量,并且轧制压下量越大,轧制速度越快,温升越大;轧制件的轧制载荷表明,轧制载荷与初轧温度、轧制速度和轧制压下量综合影响,初轧温度越高,轧制速度越小,轧制压下量越小,所需轧制载荷越小,反之需要载荷越大。通过轧制件的边裂损伤分析可以看出,随着变形温度越高,轧制压下量越小,边裂损伤也越小,而且随着轧制板宽厚比越来越大,轧制损伤也越来越大。通过上述分析选择合适的参数对镍钛形状记忆合金板进行多道次轧制制备冲压所需板材,轧制温度950℃,轧制速度为0.2m/s,经过三道次轧制,截取合适的部位进行冲压。针对轧制成形的NiTi形状记忆合金板材,进行了镍钛形状记忆合金环抱接骨板的热冲压成形有限元模拟。本课题选用ABAQUS有限元软件对NiTi合金进行冲压成形数值模拟。通过三维软件设计相应的冲压模具,建立镍钛形状记忆合金环抱接骨板热冲压有限元模型,通过数值模拟结果优化冲压模具结构。主要研究分析了不同温度(650℃～850℃)、不同凹模圆角半径(2mm～4mm)和不同摩擦系数(0.1～0.3)对镍钛形状记忆合金环抱接骨板冲压成形性能的影响,以冲压成形过程中的回弹量控制为主要目标,选取冲压结果最好的参数,并以此参数优化冲压模具结构。根据镍钛形状记忆合金环抱接骨板冲压成有限元模拟结果可知,冲压温度越高,凹模圆角间隙越小,摩擦系数越大,冲压件回弹量越小,成形质量越好。根据实验结果表明,板料温度对冲压性能的影响最大,圆角半径的影响次之,摩擦系数的影响最小。

关键词：镍钛形状记忆合金塑性变形本构方程数值模拟

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镍钛形状记忆合金生物相容性及其表面改性研究进展

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中国修复重建外科杂志 2018年第8期32卷 1091-1095页

作者：白继岳徐永清何晓清李川朱敏陆军军医大学研究生管理大队重庆400038 成都军区昆明总医院骨科昆明650032

目的总结镍钛形状记忆合金(nickel titanium shape memory alloys,Ni-Ti SMA)生物相容性及其表面改性的研究进展。方法广泛查阅国内外Ni-Ti SMA研究的相关文献,并进行整理、分析和总结。结果目前Ni-Ti SMA作为内固定材料,已广泛应用于临... 详细信息

目的总结镍钛形状记忆合金(nickel titanium shape memory alloys,Ni-Ti SMA)生物相容性及其表面改性的研究进展。方法广泛查阅国内外Ni-Ti SMA研究的相关文献,并进行整理、分析和总结。结果目前Ni-Ti SMA作为内固定材料,已广泛应用于临床,其具有超弹性、形状记忆特性、较好的耐磨性、较强的抗腐蚀性,能有效避免应力遮挡导致的内固定物断裂。Ni-Ti SMA经过表面改性后,其生物相容性可得到改善。结论 Ni-Ti SMA因具有优良的材料特性,成为非常有潜力的制备体内长期内植物的合金材料。

关键词：镍钛形状记忆合金生物相容性表面改性

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镍钛形状记忆合金表面微弧氧化膜的制备及性能

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电镀与涂饰 2021年第19期40卷 1507-1514页

作者：曲凌辉孟建兵张宏伟董小娟李丽王帅柯关庆义魏修亭山东理工大学机械工程学院山东淄博255000

针对镍钛形状记忆合金植入人体时易腐蚀、镍离子过量释放的问题,以NaAlO_(2)、C_(10)H_(14)N_(2)Na_(2)O_(8)、Na_(2)HPO_(4)·12H_(2)O的混合溶液作为电解液对NiTi合金进行微弧氧化。分别以氧化膜的镍元素含量、腐蚀电位和水接触角为... 详细信息

针对镍钛形状记忆合金植入人体时易腐蚀、镍离子过量释放的问题,以NaAlO_(2)、C_(10)H_(14)N_(2)Na_(2)O_(8)、Na_(2)HPO_(4)·12H_(2)O的混合溶液作为电解液对NiTi合金进行微弧氧化。分别以氧化膜的镍元素含量、腐蚀电位和水接触角为评价指标,对氧化电压、氧化电流、脉冲频率和氧化时间这4个因素进行正交试验,综合评价后得到的最佳工艺条件为:氧化电压400 V,氧化电流2 A,脉冲频率200 Hz,氧化时间15 min。借助扫描电子显微镜、能谱仪、接触角测量仪和电化学工作站对微弧氧化前后的NiTi合金表面形貌、化学组成、耐蚀性、亲水性及生物相容性进行了分析和对比。结果表明,微弧氧化后,NiTi合金表面生成了外层多孔、内层致密的陶瓷氧化层,Ni含量减小90%,O和Al含量分别上升至38.97%和25.13%,腐蚀电流密度下降2个数量级,水接触角从63°减小到5°。NiTi合金微弧氧化后的耐蚀、亲水、生物相容等性能得到有效提高,Ni的释放将得到明显抑制。

关键词：镍钛形状记忆合金微弧氧化正交试验耐蚀性亲水性镍释放

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镍钛形状记忆合金尺寸效应的实验研究

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材料热处理学报 2012年第12期33卷 41-46页

作者：邹广平王丹丹王瑞瑞唱忠良哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院黑龙江哈尔滨150001 中海石油技术检测有限公司天津300452

对不同尺寸的镍钛形状记忆合金试样进行了静态压缩试验,结果表明,镍钛形状记忆合金在静态压缩时表现出了明显的尺寸效应:在所研究的高径比范围内,随着高径比的增加,试样在加载阶段具有硬化现象,卸载阶段具有软化现象;母相及应力诱发马... 详细信息

对不同尺寸的镍钛形状记忆合金试样进行了静态压缩试验,结果表明,镍钛形状记忆合金在静态压缩时表现出了明显的尺寸效应:在所研究的高径比范围内,随着高径比的增加,试样在加载阶段具有硬化现象,卸载阶段具有软化现象;母相及应力诱发马氏体相弹性模量都随高径比的增加而增加;相变超弹性曲线包围的面积,即相变滞后宽度也随高径比的增加显著增加;应力诱发马氏体相变初始应力随高径比的增加具有分段性,由此推测存在一临界高径比,在高于和低于临界高径比的两个范围内,相变初始应力都随高径比的增加而降低,在临界高径比处,相变初始应力跳跃很大。

关键词：镍钛形状记忆合金尺寸效应高径比相变滞后宽度

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腰椎椎体间镍钛记忆合金支架的生物力学分析

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医用生物力学 2023年第2期38卷 283-289页

作者：黄浩瀚陈宏方陈颜赵长清上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科上海市骨科内植物重点实验室上海200011

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、... 详细信息

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(P0.05)。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。

关键词：腰椎间融合术镍钛形状记忆合金椎间融合器可吸收骨水泥

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镍钛形状记忆合金表面改性后的血液相容性

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中国组织工程研究与临床康复 2011年第47期15卷 8817-8820页

作者：路坦田博张江峰吴大鹏徐海斌新乡医学院第一附属医院骨外科河南省新乡市453100 贵州大学材料科学与冶金工程学院贵州省贵阳市550003

背景:镍钛形状记忆合金植入人体内必需要有很好的生物相容性和生物安全性。目的:观察分析镍钛形状记忆合金表面改性后对其生物相容性的影响。方法:将镍钛形状记忆合金随机分为两组,经阴极电沉积法处理的材料为实验组,未经处理的为空白组... 详细信息

背景:镍钛形状记忆合金植入人体内必需要有很好的生物相容性和生物安全性。目的:观察分析镍钛形状记忆合金表面改性后对其生物相容性的影响。方法:将镍钛形状记忆合金随机分为两组,经阴极电沉积法处理的材料为实验组,未经处理的为空白组,通过扫描电镜观察实验组材料表面的变化,并测定材料的溶血率和动态凝血时间。体外培养骨髓基质干细胞,与两组材料复合培养,通过MTT法检测两组材料中细胞存活数量。结果与结论:镍钛形状记忆合金表面改性后,表面出现由很多的纳米级颗粒紧密聚集形成的Ti-O膜,实验组材料的溶血率下降,凝血时间延长,两组材料与骨髓基质干细胞复合培养第2,4,6天,实验组吸光度比空白组明显增高(P镍钛形状记忆合金经阴极电沉积法表面改性后具有较好的生物相容性和生物安全性。

关键词：镍钛形状记忆合金阴极电沉积溶血率动态凝血时间组织相容性

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钎焊温度对316L/AuSi/NiTi接头界面组织与力学性能的影响

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焊接学报 2023年第7期44卷 9-15,I0003页

作者：陈修凯曹云飞卞红宋晓国姜楠李明哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室威海264209

采用AuSi共晶钎料成功实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的连接.使用扫描电子显微镜和能谱仪等分析测试手段对不同钎焊温度下获得的接头界面组织进行了分析.结果表明,316L/AuSi/NiTi接头典型界面微观组织为316L/(Fe,Cr)_(5)Si_(3)/Au(... 详细信息

采用AuSi共晶钎料成功实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的连接.使用扫描电子显微镜和能谱仪等分析测试手段对不同钎焊温度下获得的接头界面组织进行了分析.结果表明,316L/AuSi/NiTi接头典型界面微观组织为316L/(Fe,Cr)_(5)Si_(3)/Au(s,s)+Ti_(14)Ni_(49)Si_(37)(+Si)/Ni_(4)Si_(7)Ti_(4)+NiSiTi/NiTi.随着钎焊温度的升高,316L不锈钢侧(Fe,Cr)_(5)Si_(3)层逐渐形成并变厚,NiTi合金侧的NiSiTi层先增厚后减薄,钎缝中的硅含量逐渐减少.剪切试验表明,当钎焊温度为600℃、保温时间为30 min时,钎焊接头的抗剪强度最高为34 MPa.接头的断裂路径分析表明,接头沿钎缝中的固溶体发生断裂.创新点:(1)采用AuSi共晶钎料在低温下实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的钎焊连接.(2)探究了钎焊温度对316L/AuSi/NiTi接头界面组织与抗剪强度的影响规律.

关键词：镍钛形状记忆合金不锈钢钎焊界面组织力学性能

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镍钛形状记忆合金的研究及其应用进展

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新材料产业 2021年第4期 28-31页

作者：王本力赛迪智库材料工业研究所

形状记忆合金(SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可以恢复成初始形状的一类合金。作为集感知与驱动一体的智能材料,形状记忆合金的研究工作受到了来自学术界与工业... 详细信息

形状记忆合金(SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可以恢复成初始形状的一类合金。作为集感知与驱动一体的智能材料,形状记忆合金的研究工作受到了来自学术界与工业界的广泛重视。形状记忆合金的相关产品也已经渗透到国民经济的各个领域,如航空航天、机械、电子、能源、交通以及建筑等,并取得了良好的效果。

关键词：镍钛形状记忆合金航空航天智能材料临界温度塑性变形初始形状应用进展

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镍钛形状记忆合金及其在小动物临床上的应用前景

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中国兽医杂志 2016年第9期52卷 63-65页

作者：李艳艳江苏农牧科技职业学院宠物科技学院江苏泰州225300

形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）是指具有形状记忆效应的合金材料。具有记忆效应的合金目前已发现20余种,但具有医用开发前景的只有镍钛（TiNi）形状记忆合金。自1963年Buehler-（[1]）报道了镍钛合金具有形状记忆效应以来,对... 详细信息

形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）是指具有形状记忆效应的合金材料。具有记忆效应的合金目前已发现20余种,但具有医用开发前景的只有镍钛（TiNi）形状记忆合金。自1963年Buehler-（[1]）报道了镍钛合金具有形状记忆效应以来,对其本质和应用研究日趋深入。尤其在医学界,其奇特的形状记忆效应、超弹性及优良的耐磨性,而且具有良好的耐蚀性和组织相容性,在临床各科和医疗器械等方面获得了广泛的应用-（[5]）。

关键词：镍钛形状记忆合金应用临床形状记忆效应小动物 Memory 组织相容性合金材料

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镍钛形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接的研究进展

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有色金属材料与工程 2019年第2期40卷 46-52页

作者：唐文敬谭家宏谷雪莲上海理工大学医疗器械与食品学院上海200093 上海微创医疗器械(集团)有限公司上海201203

镍钛形状记忆合金(nickel titanium shape memory alloys, Ni-Ti SMA)因具有超弹性和生物相容性而广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。为了满足越来越高的应用要求,Ni-Ti SMA 与其他材料的连接成为研究的热点。针对Ni-Ti SMA 与不锈... 详细信息

镍钛形状记忆合金(nickel titanium shape memory alloys, Ni-Ti SMA)因具有超弹性和生物相容性而广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。为了满足越来越高的应用要求,Ni-Ti SMA 与其他材料的连接成为研究的热点。针对Ni-Ti SMA 与不锈钢焊接中的关键问题进行了综述,总结了熔焊、压力焊和钎焊等方法的研究进展,比较了不同焊接方法对焊接结果的影响。分析了Ni-TiSMA 与不锈钢焊接接点的微观结构和断裂特征,并指出抑制金属间化合物的形成是Ni-Ti SMA 与不锈钢成功焊接的关键,固态焊更有利于抑制金属间化合物的形成。

关键词：金属间化合物镍钛形状记忆合金不锈钢焊接

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