【摘要】：激光透射連接因具有連接質量好、變形小、效率高、容易操作、非接觸式、自動化等優(yōu)點,從而成為連接生物相容性金屬和聚合物的工藝,在醫(yī)學方面有廣泛的應用。然而聚苯乙烯為非極性聚合物,表面能較低,通過激光透射連接的方法無法實現(xiàn)聚苯乙烯與鈦的直接連接。本文采用了氧等離子體改性、激光表面處理兩種工藝方法實現(xiàn)了聚苯乙烯與鈦的連接,并對激光透射連接聚苯乙烯與鈦展開了實驗與機理研究、工藝研究和溫度場數(shù)值模擬研究。實驗方面:研究了氧等離子體對聚苯乙烯表面改性和激光掃描氧化處理鈦這兩種工藝,通過激光透射連接實驗和拉伸實驗對比分析了聚苯乙烯與鈦、聚苯乙烯與激光掃描氧化處理的鈦、氧等離子體改性處理的聚苯乙烯與鈦、氧等離子體改性處理的聚苯乙烯與激光掃描氧化處理的鈦這四種不同組合的連接強度,并繪制了連接強度曲線圖,研究發(fā)現(xiàn)改性處理的聚苯乙烯與激光氧化處理的鈦進行連接時的強度是最高的;改性的聚苯乙烯與氧化處理的鈦焊接件的拉伸失效形式為界面失效。機理方面:首先通過基恩士顯微鏡觀測焊縫的微觀形貌,發(fā)現(xiàn)在焊縫處形成了氣泡,研究結果表明,細小均勻氣泡存在的連接接頭強度最高,氣泡的形成能夠在兩連接件之間產(chǎn)生機械鉚接作用,因此氣泡的形成是連接強度高的一個原因;其次對聚苯乙烯表面、氧等離子體處理的聚苯乙烯表面、鈦表面、激光處理的鈦表面分別進行了接觸角實驗,研究了材料在氧等離子體處理和激光掃描氧化處理前后的表面能變化,研究發(fā)現(xiàn)氧等離子體處理的聚苯乙烯和激光掃描氧化處理的鈦表面能都得到了較大的提高,表面能的提高改善了連接界面處的相容性,是提高連接強度的另一個原因;最后通過X射線光電子能譜分析的方法對連接接頭進行界面研究,對不同元素的光電子能譜圖進行對照,結果發(fā)現(xiàn),氧等離子體處理的聚苯乙烯與經(jīng)激光氧化后的鈦連接接頭處形成了Ti-C、Ti-O化學鍵,化學鍵的生成是連接強度高的成因之一。工藝研究方面:利用Isight軟件對工藝參數(shù)進行初步篩選和靈敏度分析,根據(jù)靈敏度分析的結果篩選出對連接強度影響最大的五個工藝參數(shù),分別為激光連接功率、激光連接速率、表面處理功率、表面掃描速率和氧等離子體處理時間,通過響應面法進行試驗設計,建立連接強度與工藝參數(shù)之間的數(shù)學模型,得出工藝參數(shù)對連接強度的響應曲面圖和等高線圖,分析了各工藝參數(shù)之間的交互式影響;采用不同的優(yōu)化準則,得出了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。溫度場數(shù)值模擬研究方面:通過ANSYS分析軟件對連接件進行前處理和加載運算,研究溫度場的變化規(guī)律,探索激光功率和連接速率對溫度場的影響,并將連接寬度的模擬結果與實驗結果進行對比,驗證所建立模型的準確性。氧等離子體處理和激光氧化處理的方法能夠有效解決聚苯乙烯與鈦無法實現(xiàn)連接的難題,通過優(yōu)化工藝參數(shù)獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合,該研究為此工藝的工業(yè)應用奠定了基礎。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG665
【圖文】：

于恢復人體的生理系統(tǒng)功能。主要的生物醫(yī)學植入體有用于治療有聽力障礙患者的人工耳蝸，治療有心臟疾病患者的心臟起搏器[2]，能夠用于治療患者視覺障礙的視網(wǎng)膜植入體[3]，人工心臟瓣膜，人工肺，氣管，支氣管支架，骨科矯形器等。可植入的藥物投送系統(tǒng)可以根據(jù)人體的不同狀態(tài)釋放一些化學藥物，如止疼藥來進行相應的治療[4]。但是有些植入體不一定具有生物相容性，直接放入人體內會被排斥并且產(chǎn)生一些不良反應，因此這些植入體就需要采用具有生物相容性的材料進行封裝，以確保植入體能夠適應人體內復雜的環(huán)境。通過大量試驗驗證后發(fā)現(xiàn)許多材料都具有生物相容性，主要分為五大類：生物醫(yī)用金屬材料（如鈦及鈦合金、金、銀、316L 不銹鋼）、生物醫(yī)用高分子材料、生物陶瓷、生物醫(yī)用復合材料以及生物衍生材料[5]。聚合物具有很多優(yōu)良的特性，比如抗腐蝕性、高彈性、高強度--質量比等，因此常被用作封裝植入體的材料[6]。圖 1.1 為醫(yī)用高分子材料在植入體中的應用[6]。

江 蘇 大 學 專 業(yè) 碩 士 學 位 論 文連接基本原理連接技術是一種既高效又經(jīng)濟的連接技術，從 1970 年開始，激光了快速的發(fā)展。圖 1.2 為激光透射連接的原理圖[7; 8]，激光透射連足上層材料能夠透過激光，下層材料對激光要有很好的吸收性，當材料照射在下層材料時，下層材料吸收激光能量，將熱量傳遞到上兩連接件的接觸面融化，融化狀態(tài)的連接材料在夾具夾緊力的作用在室溫下冷卻后，由于范德華力或化學鍵的作用，從而形成牢固的

第二章 實驗設備及聚合物表面改性設備S 半導體激光器采用搭接焊，激光器采用 DILAS 半導體激光器進行激光透射連接、控制器、顯示器以及三軸聯(lián)動工作臺等組成，如圖 2.1 所示。中激光器的型號為 Compact130/140，輸出波長為 980±10nm，光斑 ~800μm，輸出功率是(0-130)W，工作時溫度應保持在 15℃~25℃之為 DyiT，工作臺的行程范圍是 300mm×300mm×200mm，最大速在電腦終端可以對工作臺的移動距離、移動方向和速度大小等進。可手動調節(jié)激光頭距離工作臺的高度，實現(xiàn)離焦量的變化。

【參考文獻】

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1 譚向虎;單際國;任家烈;;鍍Cr層對低碳鋼/CFRP激光連接接頭剪切強度及界面結合特征的影響[J];金屬學報;2013年06期

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本文編號：2801643