【摘要】：鈦及鈦合金比強(qiáng)度高、生物相容性好,耐腐蝕性和抗疲勞性能亦優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金,是人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體、牙托等醫(yī)用植入產(chǎn)品的首選材料。在鈦合金中引入Cu元素不僅可以降低合金的熔點(diǎn),還可以提高合金的耐磨性、生物相容性和抗菌性等。近年來,鈦銅合金(Ti-Cu合金)引起了廣大學(xué)者的關(guān)注,研究表明,鈦合金中銅的含量對(duì)其力學(xué)性能的影響很大,如伸長率、模量和硬度等。目前對(duì)Ti-Cu合金的研究大部分集中于微觀結(jié)構(gòu)、抗菌性能、壓縮或拉伸強(qiáng)度等方面,然而作為牙齒、骨骼或關(guān)節(jié)的替代品,在咀嚼食物或者人體運(yùn)動(dòng)過程中,亦或是在制造加工過程中,醫(yī)用Ti-Cu合金往往處于復(fù)雜環(huán)境下或受到復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。因此,對(duì)Ti-Cu合金組分設(shè)計(jì)、耐磨性及各種工況下力學(xué)性能的研究顯得尤為必要�？紤]到Ti-Cu合金的加工和使用環(huán)境,本文擬對(duì)Ti-Cu合金不同加載條件和溫度工況下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行深入分析,具體研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)以海綿鈦和金屬銅制備Ti-Cu合金,利用XRD、SEM對(duì)Ti-Cu合金的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并通過納米壓入法分析加載方式和加、卸載參數(shù)對(duì)合金硬度和彈性模量的影響。結(jié)果表明:Ti-Cu合金由α'相與Ti_2Cu相組成;與循環(huán)加載和恒載荷速率加載方式相比,連續(xù)剛度法測得的彈性模量與硬度值相對(duì)較高;加載速率對(duì)測量值的影響較小,但卸載速率對(duì)測量結(jié)果有較大影響,隨著卸載速率的增加,測得的彈性模量有所降低,而硬度則有所增加;析出的Ti_2Cu相能有效提高材料的強(qiáng)度。(2)對(duì)Ti-Cu合金的單軸壓縮、拉伸以及純剪切加載條件下的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測試分析,并著重研究其在壓剪復(fù)合加載狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng),分析了Ti-Cu合金在各種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為并得到了其實(shí)驗(yàn)屈服軌跡,探究了應(yīng)變率對(duì)Ti-Cu合金屈服行為的影響。結(jié)果顯示:Ti-Cu合金屈服強(qiáng)度拉壓不對(duì)稱,表明了其屈服行為正應(yīng)力方向相關(guān)性;隨著應(yīng)變率的增加,Ti-Cu合金的屈服軌跡呈各向同性膨脹趨勢。(3)通過對(duì)比不同應(yīng)力狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)理論屈服準(zhǔn)則的吻合度,發(fā)現(xiàn)考慮拉壓不對(duì)稱效應(yīng)的Cazacu-Barlat準(zhǔn)則能夠很好地描述Ti-Cu合金的屈服行為;并在此基礎(chǔ)上對(duì)Cazacu-Barlat準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn),提出了一個(gè)率相關(guān)的Cazacu-Barlat屈服準(zhǔn)則,拓展了該屈服準(zhǔn)則的應(yīng)用范圍。(4)開展了Ti-Cu合金的高溫壓縮測試,分析了溫度和應(yīng)變率對(duì)其力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:溫度一定時(shí),流變應(yīng)力隨著應(yīng)變率的升高而增加;應(yīng)變率一定時(shí),流變應(yīng)力隨著溫度的升高而減小。同時(shí)基于雙曲正弦形式的Arrhenius本構(gòu)方程構(gòu)建了Ti-Cu合金的高溫本構(gòu)模型,較為準(zhǔn)確地預(yù)測了該合金的高溫流變應(yīng)力及其變形行為。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.23;R318.08
【圖文】：

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文、形狀記憶合金和鎂合金等（如圖 1-1 所示）。不銹鋼主要用于人工關(guān)節(jié)、骨器械、血管內(nèi)擴(kuò)張支架和人工心臟瓣膜等，但是其力學(xué)性質(zhì)較差，不具備生物應(yīng)用中易發(fā)生點(diǎn)蝕或界面腐蝕，且會(huì)釋放某些可能誘發(fā)腫瘤的有害離子。鈷基不銹鋼之外另一種應(yīng)用最為廣泛的材料，相對(duì)不銹鋼而言鈷基合金承載力更更好，更適宜用作制造長期植入體，但其用作人工髖關(guān)節(jié)時(shí)界面松動(dòng)率較高， 離子的釋放可能會(huì)引起細(xì)胞與組織壞死，或皮膚的過敏等不良反應(yīng)。鈦及鈦合材料中彈性模量最接近骨的，其比強(qiáng)度高、生物相容性好，耐腐蝕性和抗疲勞不銹鋼和鈷基合金，是人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體醫(yī)用植入產(chǎn)品的首選材料。

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文苦，并且非常昂貴，且成功率相當(dāng)?shù)�。�?2005 年至 2030 年期間，髖關(guān)節(jié)修復(fù)手術(shù)增加 137%，膝關(guān)節(jié)修復(fù)手術(shù)預(yù)計(jì)增加 607%[3]。然而，商業(yè)生物材料在長期植入后生失效，原因有許多種，例如疲勞強(qiáng)度低、彈性模量與骨不匹配、抗腐蝕磨損性能及缺乏生物相容性等。圖 1-2 列出了引起植入體失效和修復(fù)手術(shù)的常見原因，并列相關(guān)解決方案[4]。

鈦及其合金在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包括牙齒植入和牙齒矯正手術(shù)，髖、膝關(guān)節(jié)、肩部、脊柱、肘部和腕部的關(guān)節(jié)置換、釘、螺釘、螺母和鋼板等骨固定、心臟起搏器和人工心臟瓣膜的外殼裝置，手術(shù)器械和高速血液離心機(jī)的組件[10。圖 1-3 為人工植入髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。雖然鈦及其合金，尤其是 Ti6優(yōu)異的耐蝕性和生物相容性著稱，但由于鋁和釩的釋放，其長期性能引起了很大的。Ti64 合金釋放的 Al 和 V 離子與長期健康問題有關(guān)，如阿爾茨海默癥、神經(jīng)病和病[13]。此外，釩的元素態(tài)和氧化物 V2O5態(tài)均存在于植入物表面，且均有毒[6,14]�？辜魪�(qiáng)度較低，使得在接骨螺釘、鋼板等類似的應(yīng)用中不那么理想。當(dāng)鈦與自身或金屬發(fā)生摩擦?xí)r，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損[15]。具有高摩擦系數(shù)的鈦基合金會(huì)形成磨損碎片而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)并引起疼痛以及骨質(zhì)溶解并引起植入體體松動(dòng)[16]。由于這些局限性入物的使用期限一般為 10-15 年，這使得生物醫(yī)學(xué)研究人員長期致力于開發(fā)出一種的模擬人體骨骼的假肢。

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本文編號(hào)：2803436