多孔钛合金范文

多孔钛合金范文（精选8篇）

多孔钛合金 第1篇

钛及钛合金因具有低密度、高比强度、良好的耐蚀性和生物相容性,近年来被广泛应用于骨植入和牙修复材料[1,2,3]。然而,钛及钛合金的弹性模量与自然骨不匹配,且其强度(拉伸强度、抗压强度和抗弯强度等)也比人骨高很多。在应力作用下,材料和骨骼将产生不同的应变,使其界面处出现相对位移,且载荷不能完全从植入体传递到相邻的骨组织,缺少足够应力刺激的骨骼会出现退化、萎缩,甚至被吸收,最终导致植入体松动和断裂,不能满足长期使用要求,限制了其进一步的应用[4,5,6]。国内外越来越多研究人员在探索各种方法,以降低钛及钛合金的弹性模量,从而减轻或消除这种“应力屏蔽”现象,改善钛及钛合金的生物力学相容性。一般来讲,主要有两种途径降低钛及钛合金的弹性模量:一是合金化,β型钛合金的弹性模量比α型钛合金低。据报道,迄今为止可在钛合金中获得的最低弹性模量是在Ti-Nb-Sn系合金中得到的约为40GPa[7],要将其进一步降低到40GPa以下是非常困难的。但是,皮质骨的弹性模量为4.4~28.8GPa,松质骨仅为0.01~3.0GPa[8],而合金化对降低钛合金的弹性模量是有限的。另一种方法是引入孔隙结构,得到多孔钛及钛合金,其密度、模量和强度等力学性能均可通过对孔隙的调整达到与被替换骨组织相匹配。此外,独特的多孔结构及粗糙的内外表面有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化,促使新骨组织长入孔隙,使植入体同骨之间形成生物固定,并最终形成一个整体;开放的三维连通孔结构能够使体液和营养物质在多孔植入体中传输,促进组织再生与重建,加快愈合过程[9,10,11]。因此,具有上述特征的多孔钛及钛合金被认为是目前最有吸引力的生物植入材料,也成为近年来生物材料的研究热点。

目前,制备多孔钛及钛合金最常用的方法是添加造孔材料的粉末冶金法,其利用钛粉或Ti与合金元素的混合粉末为原料,并添加一定量造孔剂如碳酸氢铵、尿素、淀粉、氢化钛和镁等,通过混合、压制、烧结等步骤去除造孔剂,并使金属粉末发生部分烧结,从而制备具有一定孔隙结构的材料[12,13,14,15]。通常,通过造孔剂的粒度、形态、含量来控制多孔钛及钛合金的孔隙形貌、孔径大小及孔隙度。另外,原始粉末尺寸、形态、成形压力、烧结温度、烧结时间和保护气氛等也影响多孔钛合金的孔隙特征。也就是说,影响钛及钛合金多孔结构特征的因素错综复杂,很难实现依据需求灵活且准确地控制。另外,采用这种方法还需要专用模具。然而,医用植入材料的最大特点是尺寸因人而异、结构形状复杂、微小细节丰富,传统制造方法很难柔性加工。

激光快速成形采用离散/堆积原理,由零件数字模型直接驱动,可制造任意复杂形状三维实体,且可以对孔隙结构进行设计,是一种理想的多孔材料制备方法。更为重要的是,激光快速成形技术能够针对个体患者,实现生物材料、人造肢体及医用植入体的个性化设计与制作,满足不同患者的个性化需求,并且具有很少的工序环节和很短的加工周期,因此在生物医用材料的制备领域具有重大应用价值。目前,采用激光快速成形技术制备生物多孔材料的研究正处在探索阶段,本文主要介绍制备生物医用多孔钛及钛合金的激光快速成形技术,着重阐述其在国内外研究和发展现状,并指出了未来在该领域的主要研究工作。

1 激光快速成形技术

激光快速成形(Laser rapid forming,LRF)集计算机科学、CAD/CAM、数控技术、激光加工、新材料技术及凝固技术等于一体,于20世纪80年代后期产生于美国,并迅速扩展到日本及欧洲,是近30年来制造技术领域的一项重大突破。LRF工作原理如图1所示:首先利用三维CAD软件设计出所需零件的三维实体模型(电子模型);然后根据工艺要求将其按一定厚度进行分层处理,把原来的三维电子模型变成二维平面信息,即离散过程;接着将分层后的数据进行一定处理,加入工艺参数,产生数控代码,在计算机控制下,数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄片并使它们自动粘结而成形,最终得到整个零件,即材料的堆积过程。

LRF技术打破了材料去除或变形加工的传统方式,采用增材制造的思想,使材料成形由多步工艺变为一步制造,且制造时无需预制毛坯和设计模具,实现了材料合成制备与复杂零件快速成形制造一体化,极大地提高了材料利用率,降低了设计和制造成本,并大幅度缩短了制造周期。LRF制造工艺与所生产零件的尺寸、复杂程度无关,能够快速生产传统制造工艺难以制备的形状复杂零件,如薄壁结构、封闭内腔结构等[16,17,18]。更具吸引力的是,激光具有很高的能量密度,能够快速熔化各种材料,尤其适用于传统技术难以制备的难熔合金、高熔点陶瓷及梯度功能材料。鉴于以上独特的优点,LRF自出现以来受到世界各国科研人员的高度关注,并迅速发展到多个领域,如汽车、电子、建筑、国防军事、航空航天、医疗卫生等。

值得注意的是,即使激光具有很高的能量密度,粉末材料受到激光辐射时,由于高热应力引起熔化材料分层、凝固过程中气孔形成、球化效应及材料收缩形成孔隙等原因,使得LRF很难获得致密零件。国内外研究者正是利用其工艺特点,将之引入多孔材料的制备领域。

2 多孔钛及钛合金激光快速成形

2.1 选择性激光烧结

选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)技术由美国德克萨斯大学的Dechard于1989年在其硕士论文中首次提出,之后被美国DTM公司商业化。目前,应用SLS技术最具代表性的公司是美国DTM和德国EOS。DTM公司在制备金属材料时,将金属粉末和有机粘结剂的混合粉末激光烧结,后经浸渗、热等静压、液相烧结、高温烧结等后处理工艺得到材料(间接法)。EOS公司采用金属混合粉末成形,首先将低熔点组元烧结,接着润湿高熔点粉末,由液相烧结机制将高熔点金属粉末黏结在一起而得到金属材料(直接法)。国内北京隆源公司、华中科技大学及中北大学等开展了类似研究,但均是以SLS的间接方式追求致密金属零件或模具的制造。

SLS因激光器功率较低及成形时粉末受压极小,其直接制造的材料本身就为多孔结构,故在制备多孔材料时具有先天性的优势。目前,SLS在医用多孔材料中的应用几乎全部集中在两点:一是采用生物可降解的高分子材料,如聚醚醚酮(PEEK)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)和聚乙烯醇(PVA)等制备多孔组织支架[19,20,21];二是以这类聚合物和生物活性陶瓷如羟基磷灰石(HA)、磷酸钙和硅酸钙等的复合粉末为原料,制备多孔植入体[22,23,24,25]。然而,在制备多孔金属材料方面,只有少数学者对多孔316L不锈钢进行了初步探索[26],但对多孔钛及钛合金的研究鲜有涉及。

笔者采用SLS技术制备了一系列多孔Ti-Mo合金:以Ti和Mo混合粉末为原料,添加适宜量的粘结剂,按优化的SLS工艺参数成形、脱脂和烧结,制备了孔隙结构可控、力学性能可调且耐蚀性良好的多孔Ti-(4/6/8/10)Mo合金[27,28,29,30]。现以多孔Ti-10Mo合金为例,其典型的孔隙形貌和分布如图2所示。图2(a)为三维连通开孔,其孔隙特征为:平均孔径178μm,总孔隙率63%(体积分数);室温压缩力学性能为:弹性模量4.67GPa,屈服强度75.6MPa;0.9%NaCl(质量分数)溶液(37 ℃)中腐蚀性能为:腐蚀电位-484mV(SCE),腐蚀电流密度3.63μA/cm2。图2(b)显示为孤立闭孔结构,其平均孔径56μm,总孔隙率28%(体积分数);弹性模量27.5GPa,屈服强度364MPa;腐蚀电位-353mV(SCE),腐蚀电流密度0.32μA/cm2。据报道,皮质骨的模量为4.4~28.8GPa,强度为96~200 MPa;而松质骨的模量为0.01~3.0GPa,强度为4.1~68MPa,即多孔Ti-Mo合金的模量和强度可通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配,且较小孔隙的Ti-Mo合金因具有更好的力学性能和耐蚀性行为,植入体内后能够承受更大应力,经受更苛刻的生理环境。

2.2 选择性激光熔化

选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术由德国亚琛工业大学Fraunhofer研究所于1995年提出,德国MCP-HEK公司在2003年推出第一台SLM系统,从此展开了对SLM技术的应用开发。SLM与SLS的成形原理相似,但SLM一般采用大功率、高效率激光器,直接熔化选区金属粉末而制得零件,该零件具有非平衡态的过饱和固溶体及均匀细小的金相组织,力学性能与锻造相当,成形质量较SLS有显著提高。另外,SLM成形材料范围广泛,如单一金属粉末、复合粉末及难熔合金粉末等。国外对SLM技术的研究集中在德国、日本、新加坡和比利时等,国内南京航空航天大学、华中科技大学和华南理工大学等也在这一领域展开研究,通过成形金属粉末(不锈钢、工具钢、铝合金和钛合金等)直接制造致密金属件,存在的主要问题为翘曲变形、裂纹和球化。

SLM技术能够依据CT数据为病者制造高度复杂和量身定制的植入体。近年来,国内外研究者逐渐把SLM推广到医学领域,用于制备医用多孔钛及钛合金。Pattanayak等[31]根据人体松质骨μ-CT图像(见图3(a)、(b))和CAD中空立方体模型(见图3(c)),利用SLM制备了多孔钛结构(见图3(d)-(f)),其孔隙率为55% ~75%,抗压强度为35~120MPa。Habijan等[32]采用SLM制造了多孔Ti-Ni形状记忆合金,用于运载人体间充质干细胞,以促进骨缺陷再生。实验研究发现,在不同孔隙率Ti-Ni试样上培育该细胞8天后,细胞仍然保持生物活性。Speirs等[33]利用CAD软件设计了金刚石、三角形和六边形的3种单元体结构,针对每种结构采用SLM制造了开孔Ti-13Nb-13Zr合金,其孔径分别为500μm、750μm和1000μm,弹性模量和压缩强度分别为0.87~5.43GPa和21.1~198 MPa。西澳大学Zhang等[34]以球形Ti、Nb、Zr和Sn合金化粉末为原料,在氩气保护下,以200 W功率和550mm/s扫描速度,采用SLM技术成功制备了具有复杂形状的多孔Ti-24Nb-4Zr-8Sn髋臼杯。

国内从事SLM多孔钛或钛合金研究的科研机构多集中在高校。南京航空航天大学对TiH2/Ti混合粉末体系进行了SLM实验研究,在TiH2组分含量60%(质量分数)、激光功率1kW、扫描速率20m/s的工艺条件下,成形出孔隙率为42.8%(体积分数)、平均孔径约350μm的多孔Ti支架,且大部分孔隙为近圆形,孔径分布较均匀[35]。张超等[36]采用SLM制备了多孔钛,研究了光斑直径/扫描间距(D/d)值和粉末组成对多孔钛结构的影响、主孔及微孔的形成机理。结果表明:实验粉末为95%Ti+5%TiH2(质量分数)、D/d值为1时,多孔钛孔隙由主孔和微孔构成,微孔将部分主孔连通,形成三维连通结构;激光束选择性地作用于预置粉末,预留的未被辐照区域形成主孔,是否存在主孔由D/d值决定,D/d=2 时不产生主孔,D/d=1 时产生主孔。戚留举等[37]运用3维软件SolidWorks设计了截角八面体多孔结构,采用SLM制备了棱径为400μm,孔径分别为750μm、800μm和1000μm的3种多孔钛模型(见图4),孔隙率分别为66%、68% 和76%,弹性模量分别为11.94 GPa、10.63GPa和5.88GPa,与松质骨的结构和模量较为相近,实现了复杂多孔结构的SLM一次性精确可控成形。华中科技大学Zhang等[38]通过控制扫描间距,采用SLM制造了开孔的多孔径Ti-6Al-4V合金(200~450μm),研究了扫描间距对孔隙特征和力学性能的影响,发现多孔Ti-6Al-4V合金的压缩强度和模量随扫描间距增大而降低,其压缩破坏机理主要为绝热剪切断裂。

2.3 激光近净成形

激光近净成形(Laser engineered net shaping,LENS)技术由美国Sandia国家实验室提出,1997年Optomec Design公司开始商业化运行。LENS装置主要由连续Nd∶YAG固体激光器、可调整气体成分的手套箱、多轴计算机控制定位系统和送粉系统4部分组成。该工艺将激光束聚焦于金属粉末形成的熔池表面,在惰性气体保护之下,通过激光束的扫描运动,使金属粉末逐层堆积,最终形成特定形状的零件。LENS能够实现不锈钢、钛合金、镍基高温合金和钨合金等金属材料的快速成形,成形零件的组织致密,具有明显的快速熔化与凝固特征,力学性能高,成形质量甚至超过锻件,并可通过调节送粉率,逐渐改变粉末的成分,实现一个零件内材料成分的连续变化,因此在制备异质材料(功能梯度材料、复合材料)时表现出独特的优势。

LENS技术在航天、航空、造船、国防等领域具有极大的应用前景,而在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复。美国和德国已开发了LENS制造系统,可以生产出飞机起落架、发动机叶片、飞机外挂架舱壁等高性能金属零件。西北工业大学和北京航空航天大学也较早开展金属材料LENS研究,制造了较为复杂的Ti合金、Ni合金及金属间化合物等金属零件,可满足实际生产需求。

美国华盛顿州立大学将LENS技术应用到多孔钛及钛合金制备,并对这些应用于医学领域的钛基材料进行了大量基础性研究。Bandyopadhyay等[39]利用LENS技术制备了低刚度多孔钛材料(见图5),改变LENS的工艺参数如激光功率、扫描速度、送粉速度、扫描间距等,可控制孔隙率和孔形貌,孔隙率最高可达70%,孔隙最大直径可达800μm,弹性模量可在2~45GPa调控。多孔钛的弹性模量随密度线性增加,当样品密度为2.6~2.9g/cm3(孔隙度35%~42%)时,其弹性模量与皮质骨相近。体外生物相容性试验显示,细胞可以在多孔钛表面很好地铺展,并形成较强的结合,且与纯钛相比,多孔钛能够刺激人体成骨细胞更快地分化[40]。Bandyopadhyay等采用LENS技术制备了多孔Ti-6Al-4V植入体,其弹性模量为7~60GPa,且当孔隙率为23%~32%时,其弹性模量接近人体皮质骨,孔隙率对骨组织生长速率具有重要作用[41]。随着研究的不断深入,越来越多的多孔植入材料被开发。采用LENS方法通过调整孔隙率来调节弹性模量,制备了孔隙率为64% ~88%,弹性模量为2~18GPa,弹性应变为2%~4%的多孔状Ti-Ni合金,其符合骨骼替换材料的要求[42]。

目前,国内尚未见到关于采用LENS技术制造医用多孔钛或钛合金的报道。我国相关科研人员应尽快开展这一方面的研究,为生物医用材料的多样化和制造技术的创新性提供更多的选择。

2.4 激光立体成形

西北工业大学黄卫东教授基于快速成形技术,在1995年提出了激光立体成形的研究思路。激光立体成形(Laser solid forming,LSF)的工作原理与LENS类似,采用同步送粉、激光熔覆方式制备零件,并可通过改变粉末配比,实现对合金成分的任意调整,不仅可以制备出具有特定成分的合金,而且还能制备出成分连续变化的合金。这个技术特点使其适用于在一个较大的成分范围内,对合金的组织和力学性能变化规律进行研究,为新型医用合金的研制奠定基础。

西北工业大学和第四军医大学共同合作,已经开展了对纯钛、钛合金、钛/羟基磷灰石生物梯度材料以及镍合金LSF工艺、成形件组织、力学性能和生物学性能的研究[43]。LSF同SLS、SLM和LENS一样,也可以制备多孔材料。Li[44]采用LSF技术成功制备了多孔Ti、Ti-Ni及TC4合金,并在人工关节臼杯上制备了多孔CoCrMo/Ti6Al4V功能梯度材料。杨海欧等[45]采用LSF制备了多孔钛材料,研究了LSF工艺参数对多孔钛的孔隙结构及力学性能的影响。LSF多孔钛的微观形貌主要为狭长型,孔隙具有各向异性,使得其纵向和横向的弹性模量有差异,但是多孔钛的弹性模量远小于纯钛,符合植入材料的要求。通过调节LSF工艺参数,多孔钛的孔隙率为14.0%~21.1%,拉伸强度在160~350MPa可控。

2.5 几种激光快速成形技术的对比

激光快速成形方法制备多孔钛及钛合金大体可以分为3种方式:(1)采用较低的能量密度使粉末部分熔化而表面粘结在一起形成孔隙;(2)在金属粉末中加入发泡剂,在激光成形过程中发泡剂释放出气体形成孔隙;(3)在CAD模型中预先设计一系列规则多孔,成形过程中控制激光束跳过孔隙所在区域,而仅扫描孔隙以外区域的粉末,待零件成形完毕,去除空洞内的残留粉末,以形成多孔结构。其中,第一种方式(如SLS和LSF)制备的多孔材料连通性较好,与自然骨孔隙分布接近,虽然孔隙粗糙且粘附很多粉末颗粒,但可通过后续处理改善。目前存在的主要问题是工艺的重复性较差,孔隙的大小、分布较难控制。而第二种方式(如SLM)所制备的孔隙尺寸通常较小,造孔剂易残留,且析出的气体通常存在易燃易爆等问题。第三种方式(如SLM和LENS)制备的多孔钛及钛合金孔隙尺寸易控制,形状规则,但是力学性能较差。

3 结语

激光快速成形技术在国内的研究起步较晚,目前集中应用于制造高性能高致密的金属零件。事实上,激光快速成形技术以其数字化、无模化及直接化的近终成形特征,可以自由地对材料组分及结构进行设计,在制备多孔钛及钛合金方面具有巨大的潜力。但是,国内还未形成医学专用的激光快速成形装备,对生物医用多孔钛及钛合金的激光快速成形还处在试验探索阶段,主要为成形材料的工艺和性能研究,且成形材料单一,大多是多孔纯钛或Ti-6Al-4V合金。

因此,迫切需要科研工作者开发适合相关工艺的医用成形装备,开展激光快速成形多孔钛及钛合金的成形机理研究,并拓宽到多孔钛合金尤其是添加生物相容性元素(Ta、Nb、Mo、Zn和Sn)的β型低模量多孔钛合金的激光快速成形研究,同时在此过程中建议加强以下3方面的研究工作:(1)合理设计多孔钛及钛合金的微观结构,使其弹性模量更接近于人骨以解决应力屏蔽,同时兼顾其力学强度以满足承力需要;(2)在多孔钛及钛合金表面制备生物活性涂层(表面改性),提高其生物相容性以促进骨生长;(3)开展与医学工作者的跨学科合作研究,综合评价多孔钛及钛合金在服役环境下的性能(如力学性能、耐蚀性能、耐磨性能及生物相容性等),以制造出具有良好的力学相容性、生物相容性及个体匹配性的生物植入体。

摘要：多孔钛及钛合金具有良好的生物相容性和与人骨更匹配的力学性能,是人体理想的替代材料,因此其制备技术及相关性能研究引起了广泛关注。激光快速成形是一项先进的制造技术,在制备生物多孔金属材料时具有独特的优势。介绍了激光快速成形的工作原理和技术特征,根据成形工艺特点简要回顾了4种代表性激光快速成形技术(选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光近净成形和激光立体成形)的国内外发展现状,并重点论述了这几种技术在制备生物医用多孔钛及钛合金方面的最新研究进展,最后指出了今后在该领域的主要研究工作。

钛合金之加工诀窍 第2篇

---钛合金铣削需要合适条件

与其他大多数金属材料加工相比，钛加工不仅要求更高，而且限制更多。这是因为钛合金所具有的冶金特性和材料属性可能会对切削作用和材料本身产生严重影响。但是，如果选择适当的刀具并正确加以使用，并且按照钛加工要求将机床和配置优化到最佳状态，那么就完全可以满足这些要求，并获得令人满意的高性能和完美结果。传统钛金属加工过程中碰到的许多问题并非不可避免，只要克服钛属性对加工过程的影响，就能取得成功。

钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料，但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。钛具备优良的强度-重量比，其密度通常仅为钢的60%。钛的弹性系数比钢低，因此质地更坚硬，挠曲度更好。钛的耐侵蚀性也优于不锈钢，而且导热性低。这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。它容易产生振动而导致切削时出现震颤;并且，它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应，从而加剧月牙洼磨损，

此外，它的导热性差，由于热主要集中在切削区，因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

稳定性是成功的关键所在

某些机加工车间发现钛金属难以有效加工，但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。之所以困难，部分是因为钛金属加工是新兴工艺，缺少可借鉴的经验。此外，困难通常与期望值及操作者的经验相关，特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式，这些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工钛金属似乎更困难些，因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率，并且刀具的寿命也不同。即便与某些不锈钢相比，钛金属加工的难度也仍然要高。我们固然可以说，加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。其实与大多数材料相比，钛金属也是一种完全可直接加工的材料。只要钛工件稳定，装夹牢固，机床的选择正确，动力合适，工况良好，并且配备具有较短刀具悬伸的ISO 50主轴，则所有问题都会迎刃而解只要切削刀具正确的话。

钛合金企业精益化管理 第3篇

关键词：钛合金 精益化管理 降低成本

0 引言

钛的密度较低、较高的强度，还具有优秀的抵抗腐蚀的能力，在工程运用上有广泛前景。钛的强度比钢的强度高出30%，同等体积的钛却比钢的重量轻了近40%，钛的强度比铝高出了近60%。通过在钛中加入铝、锰、铁、钼还有其他一些金属，就可以得到钛合金，钛合金强度更高，而且更加耐高温。钛合金特别耐腐蚀，当钛合金接触到空气时，就会在表面形成一种抗腐蚀的氧化膜。

近年来，钛合金在造船业上也得到了广泛应用，比如螺旋桨、索具都需要钛合金耐腐蚀的性质。除此之外，由于人体不会对钛产生排斥，钛也越来越多的被用于医学领域。

在汽车工业中，钛合金被用来制造汽车的发动机气门、螺钉、悬挂弹簧和排气系统等等部件。钛合金组件能加强车性能同时也更加节油，振动和噪声也能起到缓解的作用。钛合金零部件降低了材料50%的重量，并且提高其使用寿命，允许更大的乘车空间和装载更多货物。

钛合金材料非常难加工，因为钛合金的加工时间长，加工的成本也高，这阻碍了钛合金的推广。因此，要使钛合金的成本大幅降低，使其广泛应用，除了提高生产技术和增加工业市场的消费量，钛合金公司内部实行精益化管理也非常必要。

1 精益化管理的内涵

通过去粗取精来找到解决问题的最优的方案便是精益化管理中的“精”的内涵， “益”，就是效益，解决问题的目的是增加企业收益。“精”是一种手段，“益”为目的。精益化管理就是用最低的投入来获得最高的产出，并且追求最快的速度，形成企业在市场上的竞争优势，灵活、全面、优质的服务及产品为顾客提供满意服务，把成果落实在经济效益上。

2 企业的精益化管理案例分析

在企业精益化管理方面，有人曾经做过一些调查研究，通过对一家实施精益化管理的企业进行细致分析，以下称这家企业为XT企业。XT企业位于陕西省的一家民营企业，是国内生产摩托车及汽车部件还有采暖散热器的最著名企业供应商之一，也是中国最大摩托散热器和零部件制造商和出口商之一。该公司以科学生产和管理观念为理论指导，改变了传统生产管理模式，并率先在本地区的工业企业中实行了精益生产管理的方式，极力与国际接轨。

2.1 XT企业精益化实施过程。XT企业成立后实施的是粗放型生产管理模式，在中国高速发展的市场，虽然取得较快速的发展，但受到金融危机的影响，产能的放缓，企业面临前所未有的困难。为了在市场竞争中有立足之地，企业发展模式的转变成为了企业摆脱困境的关键问题。通过深入的调查研究和考察实践，XT企业得出精益化管理是最适合本企业发展的结论，从而提出“推进精益生产，向‘管理要效益”的发展理念。

①起步阶段——精益生产管理的样板线建立。XT企业在2007年7月份引进了精益生产模式，并在同年的12月建成第一条的U型线。通过建立这条样板线，大大缩短了产品加工周期，由之前的480分钟缩短到3分钟，企业的生产效率飞速提升；建线前作业人员单工序作业，建线后作业人员改为多工序作业。

②工序流畅化——以样板线作为基础。生产模式采取U型线替代传统生产，这种“单个流”单元生产的模式，不仅缩短了产品的生产周期，还减少了生产过程中的材料浪费；U型线的生产模式下产品仓库到原料场缩短了400米的距离。经过合理编排计划、重新规划物资、缩减存量等各种途径，不仅减少企业员工的劳动强度，还提高了企业的生产效率；还建立了一些管理控制的标准，通过对员工进行职业培训，让员工对“自检”有了更深的认识；通过“单个流”生产，通过检验员抽检、操作工自检和上下工序互检代替了传统的品质控制手段，这样的“三检制度”可以实现工序内控制品质；“看板管理”是一系列反映生产线品质情况及其效率的图表，做到生产的可视化管理；运用检验台、抽检台等道具，通过对产品定期检测，第一时间发现品质问题，杜绝批量质量问题；呼叫警灯：通过启动不同的按钮反映不同的问题，工作人员在听到信号声后必须立刻到达生产线的现场，快速的解决生产线问题；机加车间的U型生产线建设成后，通过实践和调整，将全部生产活动融入U型生产线中。

2.2 XT企业精益化管理的成果。对生产方式、品质、物流等的改善是XT企业在实施精益化管理的过程中最注重的，在产品生产过程中，采用看板管理不仅极大的缩短了生产周期，还提高了生产效率和人均产能，同时场地的利用率降低了，大幅减少了物流费，减少库存。企业充分发挥员工的聪明才智，提升员工的参与度和积极性，降低了批量生产质量的事故机率。经过以上的精益化管理，企业顺利应对了这场金融危机，并且在行业中崛起。从2009年1月至4月，很多企业受金融危机的冲击，很多企业出口减少的情况下，XT企业的业绩依然很骄人，工业总产值增长了6.3%达到10520万元。XT企业在今后的管理和实践中采用先进的信息管理系统，将新产品开发流程进行规范，使得产品开发过程更加严谨，提高新产品的质量；这精确了由接收订单到生产计划的安排、入库和出库的整个过程，减少出错机率。

3 企业实施精益化管理的必要性

从上面XT企业的成功案例，我们可以看出加强管理的科学和精益化，是所有企业经营管理的一个主题。在钛合金企业内推行精益化管理具有必要性，对于降低成本，缩短研发和生产周期，提高市场竞争力有促进作用。具体体现在以下几个方面：

3.1 精益化管理提升顾客满意度。在激烈的市场竞争中，企业的以顾客满意作为首要目标。精益化管理就是把顾客的需求作为中心，要站在顾客的角度，而不站在企业的角度。要对产品设计、生产、销售的每一个环节进行细化分析，找出哪里造成了资源浪费。创造出由顾客驱动的价值流。

3.2 精益化管理对企业成本控制有利。精益化管理为的是企业绩效的最优。而管理的关键是消灭浪费，降低成本。众所周知的，企业的生产目标是赚取最高的利润，但最高的利润并不是竞争优势。一个企业实力是否强大，并不是取决于短期利润，而取决于开拓市场和降低成本的能力。精益化管理刚好是有效的管理方法，从上面的成功案例可以看出，采用精益化管理，企业实现利润最大化有两条途径：其一是提高产出量；其二是降低成本。在激烈的市场竞争中难以使用第一个方法，那么唯有降低成本来实现增加企业利润。

3.3 精益化管理可以提高企业在市场中的竞争力。现如今，发达国家的企业已发现，人力和原材料这两个创造利润的来源已经极尽所用，而采取精益化管理模式能提高企业的效率和效益，使得企业利润得到增加。所以在企业硬件设施和服务水平逐步提高的情况下，精益化管理要求有效地降低成本，满足顾客需求，这刚好能让企业在激烈的市场竞争中占有更多优势。

3.4 精益化管理是一种企业文化的展示。曾经有人说过：小型企业靠的是领导，中型企业靠的是制度，大型企业靠的是文化。带领丰田这些跨国企业前进的，就是其自身的企业文化。我国企业也应该多加借鉴。采用精益化管理的企业拥有追求卓越的文化。精益化管理最主要的就是对工作流程进行细化、消除浪费，追求低投入和高产出，同时提供市场所需要的最好质量的服务和产品。其次，采用精益化管理的企业，其企业文化是以精益为本。它注重的使生产过程中每个员工的参与和影响，实行精益化管理的企业，每个员工不光是执行命令，更注重积辅助决策和参与决策。

endprint

4 实施企业精益化管理

虽然每个行业间的差距比较大，很难将精益化管理的方法统一，但我们根据各个行业的特点总结概括了一些精益化管理的结论，以供各个行业参考和细化。

4.1 绝不浪费。杜绝浪费是精益化管理的重要思想之一。通过生产流程的改变，消除工人在生产过程中浪费时间和空间，将半成品的数量减少，使得企业的生产效率提高；生产工序根据顺序进行整合，相邻工序之间的距离缩短和取消可以降低搬运；减少废品和次品的浪费，从而提高产品的质量；降低库存以降低成本。

4.2 实施准时化拉动式生产。准时化生产是一套将产品按照数量在规定时间生产的原则、工具和方法。它能以缩短前置期通过针对顾客的需求来少量生产与送递产品。拉动式生产是利用各种各样的感知信息来组织现场生产活动的一种可视化管理，是提高生产效率的一种方式。通过看板传递各个工序之间的需求进行组织生产，为确保生产中实现物流平衡可以人工干预来控制生产中的节拍。

4.3 使用质量全面管理。质量的检测以及控制要出现在生产过程中的每一道工序中，因为生产出来的质量而不是检测出来。如果发现了质量问题，必须立即停产来解决问题。

4.4 重视员工培养。明确每个层次的组织责任，通过小组分工，充分调动员工的积极性以及创造力，及时改进不足和杜绝生产中的浪费。要充分调动企业员工的主管能动性，用人不疑，疑人不用，并配合生产培训，依据员工的长期的表现对员工进行工作评价。企业的每一个员工认识到自己的个人目标与企业的目标的一致性来发展企业文化。

参考文献：

[1]James p.Womeck,Daniel T-Jones.From lean production tothe lean enterprise[M].Harvard Business Review,March-Apric,1994.

[2]Cory .R.A.Hallam. Lean Enterprise Transformation[J].Lean aerospace initiative,2003(3).

[3]张利艳，何晓兵.基于精益思想和敏捷思想的企业价值链优化[J].合作经济与科技，2010，2:11-12.

[4]赵琳.“以人为本”助推精益化管理[J].企业活力，2008(7).

[5]冯晓民.精益管理:企业应对经济危机的一剂良方[J].管理观察，2009(4).

[6]许建，向昌国.企业实施精益化管理研究[J].商业研究，2009(11).

[7]林琳，侯晓婷.如何成功实施精益化管理[J].经营管理.

多孔钛材料的动态力学响应研究 第4篇

关键词：多孔钛材料,动态力学性能,Grüneisen状态方程

在针对多孔材料动态力学行为的研究中,研究范围可划分为两类:一类是在高压下,冲击波过后多孔材料中的孔隙被完全压实,材料进入密实状态;另一类则是在相对低的压力范围内,多孔材料并未被完全密实化。在对前者的研究中,Boade[1]在研究烧结多孔钨时利用爆轰驱动获得高压对多孔钨进行动态加载,测得的实验数据被证实与通过固体钨的Grüneisen参数预测出的多孔钨参数较为符合,同时证实了高压状态下多孔材料的各项冲击参数可根据其已知的基体材料的Hugoniout参数及Grüneisen参数来确定。而在第二类范围中,即研究多孔材料在较低压力范围内并未被完全压实的情况则相对复杂。由于多孔材料结构的复杂性,迄今为止,并没有合适的理论来解释多孔材料的波传播特性,而是借助经验公式来进行研究工作。经验公式是建立在获取大量实验数据的基础上,因此,对不同多孔材料的实验研究就显得尤为重要。

国内外大量学者对压力相对较低范围内的多孔金属材料动态力学性能作了相关实验研究,Bonnan等[2]通过平板撞击实验得到了低于2GPa压力下泡沫铝完整的应力波形和粒子速度波形,研究了压力-比容关系。Silva等[3]给出了孔隙未被完全压实这一压力区段中多孔铁的冲击性能,并讨论了实验研究中多孔铁的应变率相关性问题。在国内,李斌潮等[4]与王永刚等[5]分别通过落锤直接撞击实验和爆炸加载实验研究了较低压力段下泡沫铝中的冲击波传播以及衰减效应。

对于多孔金属动态力学性能的研究,实验手段多样化[6,7],如分离式Hopkinson压杆,轻气炮、直接高速撞击及爆炸实验等[8,9,10]。其中,用于平板撞击实验的轻气炮,作为产生平面应力波的基本工具获得了广泛的应用[11],可用来研究材料中波的传播特性以及冲击特性,同时能够基本满足不同初始压力段的实验需求。

多孔钛材料具有金属钛材料优异的力学特性,同时拥有传统多孔材料的衰减能力及防护能力,具有重要的研究价值。然而在国内外关于多孔钛的研究中, 大多研究成果集中在制备方法上或是静态力学性能上[12,13,14],有关多孔钛动态力学性能的研究极少,尤其在研究规则孔洞的多孔钛方面。具有规则孔洞的多孔金属材料,可利用其特殊的孔洞结构,用于汽车轻量化结构、航空航天轻型构件、工业冲击减震结构等领域。 然而对于蜂窝结构等传统的规则多孔金属材料,在受到动态载荷作用时,由于其孔壁较薄且孔洞附近会形成强应力集中,使得材料整体强度降低,无法承受较高的冲击载荷,造成该类材料的应用范围显著缩小[15]。 以金属材料为基体,在基体上均匀排布通孔这一结构则可在维持传统规则孔洞材料优异性能的同时提高其动载荷承载能力,使得规则多孔金属材料能够更广泛地应用于工业工程中。本工作拟采用一级轻气炮对具有规则孔洞的多孔钛试件进行一维应变平面加载实验。由于实验测量技术的限制,本工作在利用轻气炮实验得到数据的基础上,对所采用的数值模拟方法进行验证。随后利用数值模拟的研究手段,对多孔钛的动态力学响应进行进一步的分析。

1实验

1.1实验材料与方法

样品选取工业纯钛作为基体材料,沿基体材料径向均匀分布三层孔洞,层与层之间呈90°分布,孔洞之间的间距相等(如图1所示),使得多孔钛试件的孔隙率基本达到30%,考虑到多孔试件的结构以及加工成本问题,试件中的孔洞均为直径1mm的圆形通孔。

本研究中的靶板由基板、两层多孔钛试件、传感器、探针以及背板组成。基板和背板的材料与试件基体材料相同,传感器选用电阻为50Ω 的双螺旋形锰铜压阻计。实验中,锰铜压阻计1放置于基板与试件中间,锰铜压阻计2放置于两片试件中间,锰铜压阻计3放置于试件与背板中间。压阻计都安装在试件的中心位置,使用聚酰胺包敷固定,避免因高压作用锰铜压阻计被提前剪断、导通。叠合好的试件组需放在平台上挤压以排空层与层之间的空气,放入60℃的恒温箱中烘干30min。随后将冷却充分的试件组用环氧树脂固化于基板底座,并用模具浇铸固化,即制成实验中所需靶板(如图2所示)。

气炮实验在中科院非线性力学国家重点实验室的一级轻气炮(内径101mm)上进行,实验装置如图3所示。 气体室的高压气体推动飞片在炮管中高速运动并进入靶室对靶板进行平面撞击。置于不同位置处的锰铜压阻计负责测量该处的应力历史。应力波所携带的波源以及介质的力学特性信息将会通过传感器导出,通过波剖面的时间分析测量即可得到材料的动态特征信息。

气炮实验中的飞片出口速度决定了初始冲击波压力的大小。本研究中的实验采取了电测探针法获得飞片出口速度。飞片前端面先后触发两根间距为h的探针,通过触发探针所返回的时间信息可得到触发时间间隔t。飞片初速w即可通过w =h/t求得。另外,锰铜压阻计采集到的信号由示波器记录,该信号为反应压力的电压信号,可以通过标定公式将电压信号转为压力信号。由于在4~40GPa的压力范围内,电阻率与压力有线性关系,而在恒流电源供电下,电阻率可由电压标定,因此压力P可通过式(1)确定:

式中:ΔV为电压变化量;V0为初始电压;ΔR为传感器电阻的变化;R0为传感器初始电阻;Kp为已知的压阻系数。

为了保证实验中的靶板满足宽厚比大于2的要求以消除边侧稀疏波效应的影响,本实验中飞片的直径 75mm,厚度6mm;靶板中基板以及背板的直径都为 70mm,厚度分别为3,6mm。多孔钛材料试件的直径也为70mm,其余参数见表1。经计算可得宽厚比约为4.6,符合消除边侧稀疏波效应的宽厚比的要求。

1.2结果与分析

本研究共进行4次轻气炮实验。飞片的打击速度在200m/s附近两组及100m/s附近两组,分别为表1中的T1,T2,T3,T4四个实验组。取T2组为典型实验组,实验中锰铜压阻计所获得的典型电压-时间曲线如图4所示,经过标定转换即可得到压力-时间曲线, 如图5所示。

由图5可明显看出,应力波在多孔钛试件中传播具有明显的衰减效应以及弥散效应。第一个测点所测得的波形显示了应力波在迅速上升至峰值后,并未出现率无关材料所具有的应力平台现象,而是随时间延长应力值迅速下降,体现了试件明显的衰减效应;在后续的测点中,波形不断被拉宽拉长,反映了试件材料的弥散效应。同时,由于试件材料中存在大量的孔洞,应力波传播至孔洞处,由于冲击载荷作用引起局部的拉伸以及剪切效应,导致孔洞变形甚至塌陷,从而引起材料结构的破坏,如图6所示。

图6中可以看到冲击后的试件中孔洞的变形。除去试件在回收仓碰撞所受到的损伤外,很显然试件中前几排孔洞的变形较为严重,而最后一排的孔洞基本保持未变形状态,体现了多孔试件的衰减特性,也说明了该试件具有一定的动态承载性能。

实验中飞片高速撞击靶板时,冲击波遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,其基本方程式为:

式中:ρ0,u0,P0,E0为初始状态参量;剩下五个待定参量分别为ρ,u,D ,P ,E 。因此,实验只需测得其中任意两个量,便可求得其余所有参量,从而确定冲击压缩线上某一点的状态参数,并且通过同一初始状态下不同压力点上的参数值,即可获得与之相应的冲击压缩线的线段。

在试件中传播的冲击波波速D可直接测量。通过两个传感器所返回的波形起跳时间的差值即可得到冲击波在试件中传播的时间Δt。若试件长度为l,则冲击波波速D =l/Δt。

飞片材料的冲击压缩线已知[16]如式(5):

飞片以速度w冲击靶板,此时可根据式(3)可得:

并且对于飞片,根据式(5)可得:

由此可得

Pf=ρf[-5020+1.536(uf-w)](uf-w) (9) 同时,在碰撞接触瞬间,有边界条件:

联立(9),(10)两式即可求得靶内冲击波的粒子速度值u以及冲击波压力P 。

至此,若代入初始状态参量,那么式(2)~(4)中所有的未知量都可以解出。

图7给出了四组实验中冲击波随时间在第一片试件和第二片试件中传播的位移-时间关系。显然,在不同的速度下,由两段直线的斜率,即冲击波分别在两个试件中的平均传播速度,都可看出冲击波在第二片试件中传播的速度较第一片试件中的波速有所下降;并且随着撞击速度的增加,两段直线的斜率都表现为增加,这表明了初始压力对冲击波速度的影响。初始压力越大,试件中的冲击波速度也越大。

多孔钛试件在受到强冲击载荷作用时具有明显的衰减特性,在上文中给出的典型压力-时间曲线中可以明显看出。第一个传感器所测得的压力峰值无法延续高压力平台,而是迅速下降,待冲击波传播至第二个及第三个传感器时,压力已大幅衰减,具体的衰减情况如图8所示。图8分别给出的是四组实验中三个测点传感器所测得的直观压力峰值随着时间的变化。首先, 与冲击波波速的规律相同,对于飞片撞击速度越高的实验组,压力峰值表现越高。其次,应力波在第一个试件中传播时,其强度衰减非常迅速,以至传播至第二个传感器时,压力峰值的衰减值最高达到90%以上。该峰值-时间关系曲线与图6所示的实验结果一致。第二个传感器和第三个传感器所测得的压力峰值相差不大的原因在于冲击波在多孔钛材料中传播时,压力并非线性衰减,压力值到了某一范围后使得衰减幅度明显降低;同时,在峰值压力较小时,示波器通道之间的干扰信号也有可能影响实验测量结果的精确度。在以后的工作中,则可通过更加细致的实验技术提高测量结果的精度,获得更全面的数据。

针对冲击波的实验研究以及测试技术而言,质点速度u以及冲击波波速D属于较容易测定的参量,而动态条件下的压力、比体积和比内能相对难以测量,因此在Hugoniot线的实验测定以及对材料高压状态方程的研究中,D-u形式的Hugoniot线最为常用。由于大量实验表明,在相当宽的实验压力范围内,D-u Hugoniot线通常呈现出简单的线性关系式(11)。根据实验已经求得的数据点,可以拟合出关系式(12):

2有限元模拟

在实验研究的基础上,采用非线性动力学有限元软件研究了多孔钛材料在平板撞击下的力学性能。由于实验存在成本高、信号不易捕捉等缺陷,采用数值模拟结合实验可以对多孔钛的力学性能进行进一步研究。

2.1计算模型

图9给出了非线性动力学有限元软件中所使用的计算模型。计算模型完全依照实验中的真实尺寸进行建模(飞片直径75mm,厚度6mm;基板、试件以及背板的直径都为70mm,厚度分别为3,6,6mm,试件中孔洞大小为1mm,排列模式按照图1所示),出于对称性及计算效率的考虑,取1/4模型进行计算。

飞片、基板、试件以及背板的材料均选取工业纯钛,材料模型选用双线性弹塑性模型。具体参数如表2所示。

在计算中,对飞片施加不同的初始速度,以期得到飞片撞击过程中试件上放置传感器所对应的单元的动力响应。

2.2模型验证

由于实验中存在各种人工或天然误差,同时考虑到数值模拟中材料模型及参数的选取等问题,很难保证实验所得波形与数值模拟波形完全相同。因此,实验和数值模拟中重要参数一致即可说明数值模拟的合理性。

图10给出了在有限元软件中计算得到的压力-时间图与相应实验数据的对比。波形1,2,3分别为实验中三个传感器所测得的压力波形,波形1′ ,2′ ,3′ 分别为数值模拟中与实验传感器相应处单元所测得的波形,为了清楚直观便于研究,数值模拟结果的曲线中舍去了峰值压力之后的曲线。从图10可以看出,三个波形的起跳点都与实验波形的起跳点完全吻合,波形的形状趋势相差不大,峰值压力有一定误差。峰值压力以及波形的误差存在很多影响因素,包括应变片在试件上放置的位置,示波器通道之间的干扰以及试件测量误差等。在数值模拟的过程中,选取的应变片的位置很难保证与实验中的位置完全相同,示波器不同通道之间的相互干扰容易影响到实验中低应力区的测量结果,试件的加工尺寸和设计尺寸存在一定误差也会导致实验结果与模拟结果的误差。由于本工作在对方程(2)~(4)中的未知量求解时主要依据的是波形起跳点差值,因此认为数值模拟所给出的结果在进行类似的计算时是合理的。

2.3 D-u冲击绝热线

除了对四组实验分别进行了相应的数值模拟计算,还增加了飞片撞击速度分别为125,150,300, 400m/s四个计算组。通过计算结果可以拟合出D-u形式的Hugoniot线为:

并在图11中绘制出以上曲线。在图11中对比实验结果式(12)和数值模拟结果式(13)可发现,D-u关系中的常数a0,数值模拟与实验的误差为2.727%;常数λ 的误差则为0.671%,均属于合理的范围内。

3多项式形式Grüneisen状态方程

Grüneisen状态方程广泛应用于高压下固体中的冲击波研究,在忽略材料畸变的情况下,可以用形式较为简单的多项式Grüneisen方程来描述材料的容变部分。方程的具体形式为:

其中μ为材料的压缩度,定义为:

式中:ρ为材料的现实密度;ρ0为材料的初始密度。

根据数值模拟所得的八组实验结果,联立式(2)以及式(14),(15),可以得出曲线如图12所示。

拟合得出曲线的具体表达式为:

将通过实验计算得到的数据点放入图12中与拟合曲线进行对比,可以发现四个实验数据点与曲线吻合较好。

从图12中可以看出,在100~400m/s之间的飞片速度撞击条件下,压缩度μ的变化范围从0.015~ 0.06,可将其看作小量。由于

(λ-1)μ也是小量且有0<(λ-1)<1。对其进行泰勒展开,则有:

将式(18)与式(13)对照,略去式(18)中μ3以后的各高阶项,则可得多项式形式Grüneisen状态方程中各项的系数:

将多孔钛的D-u形式的Hugoniot线式(12)代入式(19)后,有

将式(21)与式(15)进行对比,发现前两项符合较好,尤其是系数C1,而系数C3差距较大。因为在针对小量μ进行展开时,舍去了后面高阶项。并且文中的压缩度μ变化范围小,在这个小范围内,P-μ关系近乎为线性,因此式(20)中C1值起到决定性作用。在较高压力区使用式(17),(18)直接推导材料的多项式形式Grüneisen状态方程时,应注意在系数C3处增加修正因子,以减小误差。

4结论

(1)对孔洞具有一定规律的多孔钛材料进行了一维应变下的动态力学性能实验研究,得到了冲击波波速及峰值压力随时间衰减的关系,并给出了该材料的D-u冲击绝热线。

(2)通过对数值模拟和实验结果进行比较,验证了与实验相对应的数值模拟所得结果的可靠性,并且得到了相应的冲击绝热关系,给出了多孔钛的多项式形式Grüneisen状态方程。

多孔钛合金 第5篇

多孔钛因为具有特殊的孔隙结构、较低的弹性模量、优异的生物相容性和耐蚀性等优点可用于硬组织的替代等医学应用。人体硬组织发生病变或损伤时, 需要承力的骨植入材料替换或修复, 以恢复原有功能。传统的骨植入材料为钛合金和不锈钢等致密金属。部分植入物还采用高分子和陶瓷材料, 但聚合物的强度和模量较低, 限制了其作为承力植入物的使用。陶瓷的脆性限制了其医学应用。钛及钛合金具有良好的生物相容性和力学性能已成为骨科植入物的首选。骨骼的弹性模量低于30GPa, 致密钛及钛合金的弹性模量约为55-115GPa。与多孔结构的骨骼相比, 高弹性模量的致密金属会产生应力屏蔽而导致松动, 并出现局部骨吸收现象[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。

理想的植入材料应该具有与人骨相近的力学性质、化学性质和结构特征。多孔材料是解决以上问题的有效途径之一, 多孔材料的弹性模量与骨骼匹配, 延长植入物的使用寿命。临床上广泛应用的羟基磷灰石与骨骼有相似的结构和成分, 具有良好的生物相容性和活性。但羟基磷灰石的高脆性限制其作为承力件的应用。在金属基体表面沉积羟基磷灰石涂层, 既保留了金属基体的力学性能, 又兼顾了涂层的相容性和生物活性。因此, 医用多孔钛的制备以及羟基磷灰石涂层表面改性引起了材料学和医学工作者的关注[12,13,14,15,16]。

1 多孔钛的制备方法

制备多孔钛的方法主要有等粉末冶金法、离子体活化烧结法、浆料发泡法、注射成型法、钛纤维烧结法、3D打印法等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法是将粉末制成的坯料在高温下烧结并冷却而成多孔钛。利用粉末在高温下物理扩散现象使烧结体具有一定的强度等力学性能。具有较宽的孔隙度范围、高效率和低成本等特点。烧结多孔钛的基本流程为将钛粉和造孔剂如碳酸氢铵等粉末按比例混合, 压制成坯料。在1100-1300℃的真空或氩气环境下烧结数小时并冷却而成多孔钛。造孔剂在低温下分解成气体, 排出生坯而形成孔隙, 从而达到造孔目的。多孔钛烧结体的孔隙度和孔隙尺寸以及弹性模量和抗压强度等性能可通过造孔剂的颗粒尺寸和添加量来调控[1,2,3,4,5]。

1.2 等离子体活化烧结法

等离子体活化烧结技术是利用直流脉冲电压在粉末颗粒间产生瞬间的高温等离子体, 促使颗粒快速扩散。利用颗粒间的热量实现快速烧结。具有优质、烧结时间短、操作简便和效率高等优点, 但需要高成本的直流脉冲设备。基本流程为按比例混合钛粉和氢化钛粉, 并制成坯料, 放入烧结模具中, 利用直流脉冲电压放电, 在颗粒间产生瞬向等离子体, 活化粉体颗粒;经过发泡和烧结, 降温而成多孔钛。孔隙大小和孔隙数量随氢化钛发泡剂量增加而增大[6,7]。

1.3 浆 料发 泡法

浆料发泡法是主要采用发泡剂在材料内部气化产生孔隙来形成多孔材料的方法。浆料发泡法制备多孔钛的基本流程为将分散剂、发泡剂和活化剂配成溶液, 加入钛粉制成均匀分散的浆料, 倒入模具中发泡并干燥制坯。在1100-1300℃的真空或氩气保护下烧结数小时而成多孔钛。添加剂在烧结过程中分解溢出, 因此多孔钛烧结体中无添加剂的残留[8]。

1.4 注射成 型法

利用金属粉末注射成型工艺制备多孔钛的基本流程为选用钛粉为原料, 氯化钠颗粒为造孔剂, 石蜡、高密度聚乙烯和聚乙醇为粘结剂。将以上材料按比例混合密炼并注射成型, 然后加热去除造孔剂和粘结剂, 最后在真空或氩气保护下烧结而成多孔钛[9]。

1.5 钛 纤维 烧结法

钛纤维烧结法制备的多孔钛的特点为具有完全三维贯通的孔隙结构, 但其工艺相对比较复杂, 制备成本较高。基本流程为将钛纤维绕制成交错排列的螺旋线, 冷压成形, 在1100-1300℃真空烧结数小时可得到多孔钛[10]。

1.6 3D打印技术

作为快速成型技术, 3D打印技术将模型导入打印机, 运用金属粉末等可粘合材料, 通过逐层打印的方式来构造物体, 是新兴的多孔钛制备方法。基本流程为采用三维软件如UG等进行三维建模, 设计出所需要的多孔钛模型, 将模型导入3D打印机, 利用金属钛粉和粘合剂混合物打印出实体模型, 精度可达微米级。可以3D打印人体缺失或受损骨骼的替代植入物, 直接使用3D打印机制备多孔钛植入材料是比较新颖的制备方法[11]。

2 医用多孔钛表面处理

具有良好的生物相容性的多孔钛已经有临床应用。但是生物惰性的金属材料, 植入人体后通常不能与周围组织形成真正的骨性结合。因此, 对多孔钛进行表面改性处理, 在其表面沉积羟基磷灰石涂层, 有利于组织细胞的附着生长, 促进骨整合。以下介绍医用多孔钛表面沉积羟基磷灰石涂层的方法如化学处理法、溶胶-凝胶法和微弧氧化法[12,13,14,15,16]。

2.1 化学处理法

化学处理法沉积羟基磷灰石涂层因为工艺简便、成本低及涂层厚度及形貌可调控等特点而受到关注。基本流程为将多孔钛在一定浓度和温度的酸液如 (HCl、H2SO4或HNO3) 中浸泡处理一定时间 ( 如24小时) ;而后在一定浓度和温度的碱液 (如Na OH) 中处理一定时间 (如24小时) ;再经过Na2HPO4和溶液饱和Ca (OH) 2溶液浸泡一定时间, 在37℃的模拟体液如 (Hank′s) 中浸泡数天后, 可得到羟基磷灰石涂层[13]。

2.2 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化和热处理形成化合物的方法。溶胶-凝胶法在多孔钛表面沉积羟基磷灰石涂层的基本流程之一为将Ca (NO3) 2·H2O和P5O2分别在无水乙醇中溶解配置成溶液, 按照钙磷比为1.67, 混合上述两种溶液并充分搅拌, 制成透明的溶胶, 而后在一定温度下时效处理后形成不透明的羟基磷灰石溶胶。将多孔钛样品以一定速度在溶胶中多次浸提, 每次浸提后在低温下加热干燥。经烧结而成羟基磷灰石涂层[14]。

2.3 微弧氧 化法

微弧氧化法是钛及其合金等金属在电解液中, 依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用, 表面生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜。具有工艺可靠、操作方便、陶瓷膜与基体的结合强度高、耐磨、耐腐蚀性好等特性。采用微弧氧化法在多孔钛表面沉积羟基磷灰石涂层的基本流程为以一定的恒压直流连续供电模式对多孔钛样品进行微弧氧化处理, 石墨片为阴极, 多孔钛为阳极, 10%稀硫酸溶液为电解液[15]。

多孔钛具有多孔结构, 有利于骨组织的长入和体液的传输。因此, 可通过工艺参数调节多孔钛的孔隙尺寸和孔隙度, 进而调控其孔隙结构和力学性能如弹性模量等与骨组织接近。以上方法沉积的羟基磷灰石涂层的形貌和厚度以及成分等可通过工艺参数调 控 , 改善多孔钛的生物相容性[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。

3 结束语

医用多孔钛的研究方向为:

1) 通过工艺参数调控多孔钛的微观结构和力学性能 , 使其与骨骼匹配。

2) 沉积羟基磷灰石涂层进行多孔钛的表面改性 , 改善其生物相容性。

多孔钛合金 第6篇

1 实验研究

1.1 材料的合成

1.1.1实验试剂

钛酸丁酯 (Ti-OBu) , 分析纯;羧基乙叉二膦酸 (HEDP) , 纯度为60%;双1, 6-亚己基三胺五甲叉膦酸 (BHMTPMPA) , 纯度为45%;多氨基多醚基甲叉膦酸 (PAPEMP) , 纯度为40%;2 - 羟基膦酰基乙酸 (HPAA) , 纯度为50%;2- 膦酸丁烷-1, 2, 4- 三羧酸 (PBTCA) , 纯度为50%, 二乙烯三胺五亚甲基膦酸 (DT-PMPA) , 纯度为50%。

1.1.2 材料的制备

在室温条件下, 将0.02mol的膦酸溶解在80mL去离子水和40mL乙醇的混合溶液中, 缓慢逐滴加入钛酸丁酯。其中, 有机膦酸与钛酸丁酯的摩尔比分别为1∶1、2∶3、1∶2, 持续低速搅拌24h后得到混合溶液。将所得混合物全部转移至高压反应釜中, 并在80 ℃的温度下老化24h, 对所得产物进行抽滤、洗涤, 烘干 (60 ℃下) , 烘干后得到的产物即为目标产物。若膦酸与钛酸丁酯的摩尔比例为2∶3, 则样品的命名分别为:Ti3-HEDP2、Ti3-BHM2、Ti3-PAP2、Ti3- HPAA2、Ti3-PBT2、Ti3-DTP2;若膦酸与钛酸丁酯的摩尔比例为1∶1, 则命名为Ti-HEDP、Ti-HPAA、Ti-DTP;若膦酸与钛酸丁酯的摩尔比例为1∶2, 则命名为Ti2-HEDP、Ti2-HPAA、Ti2-DTP。

1.2 材料孔结构表征

氮气吸附- 脱附测试在v-sorb2800sbet型比表面和孔隙度分析仪上进行, 77K液氮下进行, 采集数据点, BET法测比表面积, BJH法测定孔径分布。

1.3 氨气静态吸附测试

静态吸附设备为用树脂玻璃做成7个独立隔断的密封长条箱, 每一个独立隔断顶部可以打开, 并且, 在隔断的中下部镶有一个带孔的板。

静态吸附测试步骤: (1) 将7个独立隔断分别标号, 并且将适量浓氨水放置在各个隔断的底部, 使整个密闭空间有饱和的氨气; (2) 在中间带孔的板上布满干燥剂, 以此吸收浓氨水中多余的水分, 保持密闭空间的干燥; (3) 设定1号为空白样, 在中间板上只放称量瓶, 2~7号的称量瓶里均装入适量的同一样品 (约0.1g) ; (4) 1号空白样每天都进行称量, 2号样品在第一天进行称量, 3号样品在第二天进行称量, 以此类推, 7号样品在第六天进行称量; (5) 将称量数据记录整理, 做出质量变化图。

静态吸附测试的表征方法:同种样品经过不同时间的静态吸附, 通过质量增重比例来表征吸附量的大小。静态吸附测试的具体实验图, 如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 材料孔结构特征

通过对合成的一系列材料进行氨气吸附测试表征, 得到孔结构参数如表1所示。从表1可以看出, 酸类的不同对合成材料的比表面有影响, 有机膦酸分子链小, 合成的比表面积高, 孔容大, 孔径大小越均一。可能原因是小分子的有机膦酸合成膦酸钛纳米粒子小, 组装成孔材料后, 微孔比例高, 所以比表面积高, 孔容大。

2.2 材料对氨气的静态吸附测试结果

在相同条件下, 选用常规分子筛 (4A) 进行对比, 一并进行静态吸附测试。测试吸附数据统计如表2所示。

将6种不同膦酸钛和分子筛的静态吸附数据进行统计, 将样品从第一天到第六天的质量增减整理出来, 再计算出每个时间段的吸附效率。其静态测试结果统计如表3所示。由表3可知, 6d后, 所有样品几乎达到吸附饱和, 静态吸附效率从高到低为Ti3-HPAA2>Ti3-DTP2>Ti3-HEDP2>Ti3-BHM2>Ti3-PBT2>Ti3-PAP2>分子筛。样品Ti3-HPAA2和Ti3-DTP2的静态吸附效率最好, 均达到了175% 以上, 其次是样品Ti3-HEDP2和Ti3-BHM2, 同样表现出了优越的静态吸附性能。可以看出, 分子筛的静态吸附效率远不及合成的膦酸钛材料。

选取3种有机膦酸, 调配材料中酸钛比例, 合成了一系列样品。第一组样品为Ti-HEDP、Ti3-HEDP2、Ti2-HEDP, 第二组为Ti- HPAA、Ti3- HPAA2、Ti2-HPAA, 第三组为Ti-DTP、Ti3-DTP2、Ti2-DTP。

(1) 第一组样品的静态吸附数据如表4所示, 静态吸附效率如表5所示。

样品的静态吸附效率从高到低的排序为Ti-HEDP=Ti3-HEDP2>Ti2-HEDP。3 种不同酸钛比的样品静态吸附效率大致相似, 而酸钛摩尔比例为1∶1和2∶3的样品, 其静态吸附效率要略胜一筹。而这种测试结果与样品的结构表征结果相吻合。比表面积大的样品, 静态吸附量也大。其次, 虽然Ti-HEDP的比表面积比Ti3-HEDP2小许多, 但是静态吸附效率却并不逊色, 分析原因可能是由于Ti-HEDP中的膦酸比例较高, 化学吸附弥补了物理吸附, 故样品也呈现出了优越的吸附性能。而Ti2-HEDP的静态吸附效率不及前两者, 是由于其较低的比表面积和略低的膦酸比例所导致的, 但3种样品的静态吸附效率均在150%以上。

(2) 第二组样品的静态吸附数据如表6所示, 吸附效率如表7所示。

样品的静态吸附效率从高到低的排序为Ti-HPAA>Ti3-HPAA2>Ti2-HPAA。3种不同酸钛比的样品静态吸附效率大致相似, 而酸钛摩尔比例为1∶1和2∶3的样品静态吸附效率要强于第三种。较高的比表面积可以保证材料的物理吸附性能, 而比表面积不高也不能代表吸附性能差, 主要是优越的化学吸附作用一样能够展现出毫不逊色的吸附性能。这通过材料Ti-HPAA和Ti3-HPAA2的测试结果就可以得到证实。而且, 膦酸比例略低、比表面积不高的样品Ti2-HPAA, 其静态吸附效率也在160%以上。总体看来, 3种样品均有良好的静态吸附性能。

(3) 样品Ti-DTP、Ti3-DTP2、Ti2-DTP的静态吸附数据如表8所示, 吸附效率如表9所示。

样品的静态吸附效率从高到低的排序为Ti3-DTP2>Ti-DTP>Ti2-DTP。综合上述膦酸钛静态吸附效率的结果分析可以看出, 较高的比表面积和略高的膦酸比例都是样品能够呈现出优越吸附性能的保障。材料Ti-DTP、Ti3-DTP2和Ti2-DTP静态吸附效率均在150%以上, 这是化学吸附和物理吸附共同作用的结果。

吸附效率的大小由化学吸附与物理吸附共同决定。通过对膦酸钛材料静态吸附效率测试结果的归纳与总结, 可以得出比表面积大的样品, 如Ti3-HPAA2, 静态吸附量也大。酸钛摩尔比例为1∶1和2∶3的膦酸钛材料静态吸附效果均强于比例为1∶2的膦酸钛材料。综合分析其原因, 应该是膦酸摩尔比例高可以增强其化学吸附, 较大的比表面积是高物理吸附的保障。

3 结论

有机膦酸钛吸附材料比表面积大, 孔容大, 孔径分布相对均一。影响孔结构的主要因素是有机膦酸的分子链大小, 分子越小, 合成材料的比表面积越大。对氨气的静态吸附测试表明所有材料基本6d达到吸附饱和, 吸附效率均达150%以上。膦酸钛吸附材料吸附原理是物理吸附和化学吸附共同作用的结果, 比表面积越高, 酸含量越高, 吸附效率高, 吸附容量大。合成的材料在个人呼吸防护过滤件或劳保产品方面有很大应用前景。

参考文献

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[5]许小琴, 繆翔, 廖娜, 等.氨气在4A分子筛上的吸附动力学研究[J].浙江理工大学学报, 2011, 28 (1) :147-150.

多孔钛合金 第7篇

目前二氧化钛的制备大多采用昂贵的有机钛或高纯无机钛作为钛源[4,5,6,7,8], 而采用廉价工业硫酸钛液作为原料的研究少有报道。本研究以硫酸法钛白生产的中间原料 (工业钛液) 作为原料, 水热制备多孔二氧化钛, 并考察煅烧温度对其结构和性能的影响。

1 实验部分

1.1 样品的制备与表征

工业钛液取自攀枝花某钛白公司, 其中Ti O2浓度229.77 g/L。量取一定体积工业钛液加去离子水调至Ti O2浓度为215 g/L, 在带搅拌和冷凝回流的四口烧瓶中加入一定体积的去离子水作为底水, 按钛液、底水体积比4∶1取相应体积已调指标的钛液, 分别将底水和钛液预热到 (96±1) ℃, 然后用蠕动泵将钛液在20 min内加入到底水中。加料完毕后立即将上述混合液转入水热反应釜, 装填至釜体积80%, 密封后将反应釜放入预设好温度并恒温的烘箱中进行水热反应, 反应一段时间后取出反应釜, 用水快速冷却至室温, 将所得悬浊液过滤、洗涤即得水解物, 再于80℃干燥10 h即得偏钛酸。所得偏钛酸分别在350℃、400℃、450℃、500℃、550℃煅烧1 h, 升温速率10℃/min, 即得多孔二氧化钛。煅烧350℃、400℃、450℃、500℃、550℃所得多孔二氧化钛样品分别记为T1、T2、T3、T4和T5。

采用德国Bruker公司X射线衍射仪 (D8 Advance) 测定样品晶体结构, Cu Kα辐射线 (λ=0.15418 nm) , 管电压40 k V, 管电流40 m A, 扫描范围2θ=20°~70°, 扫描步长0.02°, 每步扫描时间0.2 s。样品形貌分析采用S3400N扫描电子显微镜 (日本日立公司) 观察。比表面积测试采用北京彼奥德电子技术股份有限责任公司的SSA-3500型比表面积测定仪。

1.2 光催化性能评价

采用自制双圆筒封底的石英环作光化学反应器, 中心光源为8 W的黑光灯, 主波长为365 nm。在光反应器中亚甲基蓝的初始浓度为6 mg/L, 催化剂用量为1.0 g/L;反应在室温下进行, 空气流量为40 L/h, 通过气体分布器在反应器底部鼓泡。光催化反应前, 先将加有催化剂的悬浮液在无光照下通空气搅拌10 min, 使氧气在催化剂表面达到吸附平衡。然后打开光源进行反应, 反应1 h后取样, 离心分离, 用722型可见分光光度计在666 nm处测定离心上层清液的吸光度值。由上清液吸光值变化求得亚甲基蓝的降解率。

亚甲基蓝的降解率= (A0-A) /A0×100%

式中:A0———无光照下吸附10 min平衡后亚甲基蓝溶液的初始吸光度

A———亚甲基蓝溶液通光一定时间后的吸光度

2 结果与讨论

图1为煅烧温度350℃、400℃、450℃、500℃和550℃所得掺杂多孔Ti O2的XRD谱图, 根据锐钛型二氧化钛101晶面计算的晶粒尺寸列于表1中。

从图1可见, 五个样品的衍射曲线中特征峰的位置保持一致, 其位置和强度均与锐钛型Ti O2特征衍射谱 (JCPDS 21-1272) 一致, 无杂相峰出现, 表明所有样品均具有锐钛型Ti O2结构。此外, 从图可进一步看出样品T5的峰强度明显比T1高, 且峰宽比较窄, 这说明随着煅烧温度的增加, 多孔二氧化钛的结晶度有明显的增大。这一点也可从表1清楚的看到, 煅烧温度越高Ti O2颗粒生长的越快, 结晶度也会有所增加[9]。

图2为光催化最佳样品T3的SEM照片, 从图可见样品颗粒为类球型, 颗粒大小约为0.8μm。颗粒表面比较粗糙, 它们是由大量细小颗粒团聚而成。从XRD晶粒分析结果表明, 多孔Ti O2晶粒尺寸为16.48 nm, 这些细小晶粒表面能极高, 为降低体系能量, 通过聚集后形成如图所示的聚集粒子。

图3给出了不同煅烧温度所得掺杂多孔二氧化钛 (T1~T5) 的比表面积变化曲线。由图可知, 随着煅烧温度的增大二氧化钛的比表面积呈现减小的趋势, 其中以样品T1的比表面积最高, 达到了106.9 m2/g, T2、T3的比表面积也高达101.3 m2/g和93.3 m2/g。随着温度的升高, Ti O2颗粒尺寸会逐渐增大, 样品的孔道会产生一定的坍塌, 这些将会导致比表面积降低。样品T2和T3比表面积的少量降低应当主要来源于Ti O2颗粒尺寸的增大, 而样品T4比表面积的明显下降可能主要是Ti O2孔道坍塌所致。

图4给出了样品T1~T5的光催化降解率变化曲线图。从图4可见, 随着煅烧温度的升高, 降解率呈现先增大后减小的趋势, 这与的文献报到结果相似[10]。其中以样品T3 (煅烧温度450℃) 的光催化活性最佳, 其降解率为80.19%。从T1~T3 (450℃以前) 升高温度有利于晶粒的生长, 使掺杂多孔二氧化钛结晶度增加, 并且此时比表面积没有明显的降低, 这使得光催化降解率逐渐增大, 结晶度通常是影响样品光催化的一个重要因素[11,12];而从T3~T5 (450℃以后) 随着煅烧温度的进一步升高多孔二氧化钛的孔道发生明显的坍塌, 使其比表面积大大降低 (从图3可知) , 并且样品颗粒也会逐渐增大, 这些因素一起导致了Ti O2光催化活性的降低。

3 结论

以工业硫酸钛液为原料, 水热合成了锐钛型多孔Ti O2。煅烧温度对多孔Ti O2结晶度、比表面积、光催化活性都有较大影响。随着煅烧温度的升高, 多孔Ti O2的结晶度逐渐增大, 比表面积逐渐降低, 光催化活性呈现先增大后减小的趋势。结果表明:450℃煅烧1 h所得多孔Ti O2的光催化活性最佳, 1 h对亚甲基蓝的降解率为80.19%, 其比表面积93.3 m2/g, 晶粒尺寸16.48 nm。

摘要：以工业硫酸钛液为前驱体, 采用水热法制备多孔二氧化钛, 考察了煅烧温度对多孔二氧化钛结构和性能的影响。采用XRD、SEM、BET对样品进行表征, 并以亚甲基蓝光催化降解体系评价其光催化活性。随着煅烧温度的延长多孔二氧化钛的比表面积逐渐降低, 晶粒尺寸逐渐增大, 光催化活性先增加后降低, 其中以450℃煅烧1 h所得样品催化活性最佳, 1 h对亚甲基蓝的降解率为80.19%, 其比表面积93.3 m2/g, 晶粒尺寸16.48 nm。

多孔钛合金 第8篇

激光立体成形技术( laser solid forming,LSF) 是在快速原型技术的基础上发展起来的一项新技术,具有准确、快速、近净成形等优点。采用LSF制备生物金属材料,可以针对患者实现个性化设计与制造,满足不同患者的个性化需求[4],因此,LSF技术具有广阔的应用前景。西北工业大学采用LSF技术对CP-Ti粉末进行加工制备出了多孔钛材料,该材料的弹性模量为13 ~ 26 GPa,屈服强度为190 ~ 260 MPa,是作为骨内植入的良好备选材料[5]。本研究对LSF制备的多孔钛材料进行细胞学实验,研究多孔钛对成骨细胞的生长和功能分化的影响,评价材料对成骨细胞的生物相容性。

1材料与方法

1.1主要实验试剂与仪器

DMEM培养液( Gibco) ; FBS( 浙江金华) ; 胰蛋白酶、PNPP、MTT( Sigma) ; DMSO( 江苏洪声化工) ; 磷酸盐缓冲液( PBS) 。

CO2细胞培养箱( Heraeus) ; 医用离心机( 北京京立) ; YJ-875型超净工作台; ELX800酶联免疫检测仪 ( Bio-TEK) 等。

1.2实验方法

1. 2. 1材料的制备、分组及处理将LSF制备的多孔钛( 孔隙率24. 25% ) 和致密钛分别线切割加工成直径14. 5 mm、厚度1 mm的圆片试样。试样表面依次用400、800、1200# Si C水砂纸打磨,机械抛光。多孔钛组为实验组,纯钛试样表面经喷砂粗化处理后,作为对照组。

细胞培养实验前,将所有试样分别经丙酮、无水乙醇超声清洗10 min,蒸馏水超声震荡清洗3遍,烘干,60Co辐射灭菌后备用。

1. 2. 2原代培养本实验应用 的成骨细胞来自SD大鼠颅盖骨( 第四军医大学动物实验中心) ,采用酶消化法培养[6]。

1. 2. 3短期贴附取2组试样放在24孔培养板内。 按4 × 104/ ml的密度将细胞接种于材料表面,每孔加入1 ml含10% FBS的DMEM培养液。在饱和湿度、 5% CO2、37 ℃ 环境下培养,分别在1、2、3 h时终止培养。每孔加入MTT液100 μl继续培养4 h,弃去培养液,取出试样置于另一培养板中,加入DMSO 1 000 μl,振荡10 min,用酶联免疫检测仪在490 nm波长测定吸光度值( A值) 。

1. 2. 4增殖特性细胞接种及培养方法同上,分别在培养1、4、7 d时加入MTT液100 μl,继续培养4 h,弃去培养液,取出试样,置于另一培养板中,加入DMSO 1 000 μl,振荡10 min,用酶联免疫检测仪在490 nm波长测定吸光度值。

1. 2. 5 ALP活性表达细胞接种及培养方法同上,分别在1、4、7 d终止培养。弃去培养液,PBS( 0. 01 mol/ L) 冲洗3次,加入0. 2% Triton X-100 200 μl,4 ℃ 冰箱过夜。每孔加入PNPP( 3 mg /ml) 300 μl,37 ℃ 孵育2. 5 h,加入Na OH( 1 mol / L) 溶液150 μl终止反应,用酶联免疫检测仪在405 nm波长处测吸光度值。

1. 2. 6细胞形态细胞培养及接种方法同上。将培养至第1、4、7 d的试样分别取出,PBS清洗3遍,3% 戊二醛固定,乙醇梯度脱水,临界点干燥,喷金,扫描电镜下观察。

1.3统计分析

SPSS统计软件对检测结果进行分析,两两比较用t检验,P < 0. 05表明差异具有统计学意义。

2结果

2.1短期贴附

图1为细胞培养至1、2、3 h时的吸光度值。随着培养时间的延长,细胞数量增加。从统计结果来看,培养1 h时2组细胞数无明显差别( P > 0. 05) ,培养至2、3 h时,多孔钛组明显高于纯钛组( P < 0. 05) 。

2.2增殖特性

细胞培养1、4、7 d时的吸光度值如图2所示,培养1 d的细胞计数2组无显著差别( P > 0. 05) ,至4、7 d时,多孔钛组明显高于纯钛组( P < 0. 05) 。

2.3ALP活性表达

图3显示随着时间的延长,2组细胞的ALP含量均逐渐增高。第1天时,2组的ALP活性相当( P > 0. 05) ,4、7 d时,多孔钛组的ALP活性明显高于纯钛组( P < 0. 05) 。

2.4细胞形态

SEM观察显示,细胞接种第1天( 图4A) 呈长梭形,平铺于表面,伸展良好。对于表面孔径与细胞大小相当的孔隙,细胞通过自身伸长,跨越孔隙呈桥状生长。培养至第4天( 图4B) 胞质丰富,细胞突起伸展更加良好,胞间建立伪足状突起并互相连接,并分泌有少量颗粒状细胞外基质。在孔内观察到细胞多个细长的伪足牢固附着于孔内壁的颗粒上,细胞在孔内生长良好。培养至第7天( 图4C) ,可见细胞密度显著增加,伪足充分伸展,呈扁平的不规则多边形,分泌大量丝状或颗粒状基质,并连接成网状,牢固附着在材料表面。在孔隙内可观察到细胞向内生长密集度高,出现层叠现象,材料表面部分孔隙已被细胞网覆盖。

3讨论

穆亚星等[7]对激光立体成形多孔钛材料分别进行了细胞毒性试验、溶血试验、口腔黏膜刺激试验及短期全身毒性试验,研究表明材料具有良好的生物安全性,是作为骨内植入的理想备选材料。因此,有必要对该材料的骨细胞相容性进行评价。

金属材料植入体内后与骨组织理想的结合状态是骨整合,作为最主要的组织形成细胞,成骨细胞在植入体表面贴附、增殖和分化是达到骨整合的前提。

研究表明,成骨细胞具有“喜粗性”,较易附着、沉积于粗糙表面上,因而粗糙的表面形貌可促进细胞的附着和成骨功能的发挥[8]。同时,表面能在细胞附着的初期起着非常重要的作用,细胞在表面能高的材料表面具有更好的附着及伸展性[9]。激光成形多孔钛孔隙内壁的球形粉末颗粒,使材料表面形成高低突起的粗糙形貌,在增大细胞附着的表面积的同时,也提高了材料的表面能。因此,在培养一定时间之后,多孔钛材料显示出更强的细胞贴附和增殖特性。

( SEM,× 1 000) ( SEM,× 1 000)

ALP是成骨细胞分化和功能成熟的早期标志。从图3可以看出在培养1 d时2组细胞ALP检出量均较少,这是由于此时体外培养的成骨细胞正处于增殖期, ALP的活动尚不活跃,表达量较低。延长至第4、7 d时,细胞进入分化和功能成熟期后,ALP活性明显提高。相同时间下,多孔钛组的ALP活性显著高于纯钛组( P < 0. 05) 。这与图2中细胞增殖特点相一致。

形态学观察显示,多孔钛组随着培养时间由1 d延长至7 d,成骨细胞形态由梭形伸展发展为不规则多边形,伪足伸长且数目增多,孔隙内部附着细胞数量增加。培养至1 d时,细胞外未见基质分泌,此时细胞合成不活跃。至4 d时有少量颗粒状基质,至7 d时可见丰富的细胞外基质,细胞活性增强,进入功能成熟期。 细胞的形态观察结果与ALP活性表现一致,表明多孔钛材料可促进成骨细胞的分化。这是由于多孔钛的粗糙表面为细胞黏附提供有利环境,活性ALP加速细胞外基质矿化和钙磷沉积过程。此外,孔内壁起伏的表面使得黏附的成骨细胞呈现出丰富的形态变化,这也有利于细胞分化[10]。

本研究结果显示多孔钛可促进成骨细胞的附着、 增殖和功能表达,其具体机制及在活体骨组织中的反应有待进一步探讨。

摘要：目的:评价激光立体成形(LSF)的多孔钛对成骨细胞的生物相容性。方法:将SD大鼠成骨细胞接种于材料表面进行培养,对不同培养时间点成骨细胞在材料表面的黏附、增殖及ALP活性进行检测,并观察细胞形态。以经喷砂粗化处理的致密纯钛作为对照,用SPSS对试验结果进行统计分析。结果:培养2、3 h时实验组细胞贴附率高于对照组(P<0.05),4、7 d时细胞增殖和ALP活性明显高于对照组(P<0.05)。结论:激光成形的多孔钛材料具有良好的骨组织生物相容性。