NiTi形狀記憶合金的超彈性及醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金是一種功能材料，集形狀記憶效應(yīng)、超彈性和良好的生物相容性于一體，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出誘人的應(yīng)用前景。NiTi合金作為介入醫(yī)療器械的工作原理絕大多數(shù)是利用其良好的非線性超彈性。而在NiTi合金醫(yī)用器械生產(chǎn)時(shí)，通常要經(jīng)過管材拉拔、板材軋制以及后續(xù)熱處理等過程。如何調(diào)節(jié)材料的微結(jié)構(gòu)、相變溫度和力學(xué)性能，以保證其在體溫下獲得最佳的超彈性并滿足醫(yī)用需求是當(dāng)前需要解決的問題。 針對(duì)上述問題，本文研究了冷軋?jiān)俳Y(jié)晶織構(gòu)特征對(duì)材料

2、超彈性相變應(yīng)變的影響；研究了強(qiáng)磁場(chǎng)中溫時(shí)效富鎳NiTi合金對(duì)Ti3Ni4析出相變體生長(zhǎng)取向及力學(xué)性能的影響；研究了NiTi合金編織支架的定型處理工藝，并在此基礎(chǔ)上對(duì)支架單元的力學(xué)性能響應(yīng)曲線進(jìn)行了有限元模擬。主要結(jié)論如下： NiTi合金經(jīng)30％冷軋變形后，在400℃退火后開始回復(fù)，600℃完全再結(jié)晶。大變形產(chǎn)生較高的位錯(cuò)密度抑制了馬氏體相變的發(fā)生，直到400℃和500℃退火處理后樣品發(fā)生B2←→R←→B19'二階相變，600℃完

3、全再結(jié)晶后樣品發(fā)生B2←→Bl9'-階相變。 在冷軋-回復(fù)-再結(jié)晶過程中，NiTi合金的織構(gòu)組分發(fā)生顯著變化。冷軋后為{223}<110>織構(gòu)和(322)面織構(gòu)，經(jīng)300-500℃退火后轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼂111}面織構(gòu)和(132)[023]織構(gòu)，完全再結(jié)晶后轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼂122}<223>織構(gòu)。再結(jié)晶退火后NiTi合金的力學(xué)性能存在各向異性，其超彈性相變應(yīng)變受材料的織構(gòu)特征和再結(jié)晶晶粒尺寸影響顯著。 Ti-50.6 at.％Ni合金

4、經(jīng)500℃時(shí)效2.5 h后，Ti3Ni4相主要沿晶界析出，不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下時(shí)效后樣品均發(fā)生三階段相變，包括晶界附近發(fā)生的B2←→R、R←→B19'兩階相變和晶粒內(nèi)部發(fā)生的B2←→Bl9'單階相變，強(qiáng)磁場(chǎng)的施加并未改變Ti3Ni4析出相的形核位置。但磁場(chǎng)力的作用改變了析出相變體的局部應(yīng)變，造成了Ti3Nh相變體的選擇性生長(zhǎng)，即易于沿著平行于磁場(chǎng)合力方向析出生長(zhǎng)，同時(shí)抑制了其它取向變體的生長(zhǎng)；部分相互平行且相鄰的Ti3Ni4相發(fā)生相互搭接而

5、生長(zhǎng)成一體。 強(qiáng)磁場(chǎng)施加造成Ti3Ni4析出相變體選擇性生長(zhǎng)，減少了晶界附近析出相變體的數(shù)量，造成時(shí)效處理后B2←→Bl9'的相變溫度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而降低，同時(shí)由于析出相定向分布導(dǎo)致材料力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性。 對(duì)于超彈性NiTi合金編織支架單元來講，定型溫度是影響其定型效果的主要因素。滿足支架單元定型要求的溫度在450-550℃之間，經(jīng)500和550℃時(shí)效處理后的定型效果最為穩(wěn)定，與預(yù)期夾角差值不超過30。

6、 定型處理對(duì)材料的相變溫度Af影響較大，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Af溫度呈增加趨勢(shì)，且在400℃時(shí)效時(shí)達(dá)到峰值。體溫測(cè)試時(shí)，平臺(tái)應(yīng)力隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而降低，且除500、550℃時(shí)效120 min和180 min的樣品外，其它樣品均具有非常好的可回復(fù)性能。針對(duì)此材料成分、定型結(jié)構(gòu)的NiTi合金編織支架單元，推薦選取500℃作為定型處理溫度，為了獲得最佳的定型效果和力學(xué)性能，定型時(shí)間不宜超過60min。利用有限元方法對(duì)最佳定型處理工藝的支架單元進(jìn)