【摘 要】
：
β型钛合金具有优异的力学性能、较低的弹性模量、高的生物相容性和耐腐蚀性,被广泛用作骨创伤产品和人工关节等硬组织替代材料或修复物。然而,要使β钛合金与人骨相匹配,减少“应力屏蔽”效应,必须进一步降低其弹性模量。将材料制备成多孔结构是降低弹性模量最有效的方法之一。同时,多孔结构还有利于细胞粘附、增殖和骨组织再生,使种植体和组织之间获得了更大的生物结合,提高植入成功率,具有巨大的应用潜力。但是,现有的多
【基金项目】
：
国家自然科学基金委员会联合基金项目（重点支持项目）:新一代生物医学植入复合材料成形制备与功能化研究,编号U19A2085; 广东省重点领域研发计划项目:4D打印专用材料与变体结构智能打印调控技术,编号2020B090923001; 广东省基础与应用基础研究重大项目:新一代非晶合金的设计、制备及先进制造基础研究,编号2019B030302010; 光谷科学研究项目:No. 2019001
论文部分内容阅读
β型钛合金具有优异的力学性能、较低的弹性模量、高的生物相容性和耐腐蚀性,被广泛用作骨创伤产品和人工关节等硬组织替代材料或修复物。然而,要使β钛合金与人骨相匹配,减少“应力屏蔽”效应,必须进一步降低其弹性模量。将材料制备成多孔结构是降低弹性模量最有效的方法之一。同时,多孔结构还有利于细胞粘附、增殖和骨组织再生,使种植体和组织之间获得了更大的生物结合,提高植入成功率,具有巨大的应用潜力。但是,现有的多孔结构医用β型钛合金在设计和制造时并未考虑人骨的使役状态,孔隙结构对力学和生物性能的影响也不明晰。本文针对不同人骨受力状态,利用拓扑优化方法设计了不同类型的多孔结构模型,并以Ti-35Nb-7Zr-5Ta（TNTZ）钛合金粉末为材料,利用选择性激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）增材制造技术对这些模型进行了成形制造,系统研究了SLM工艺参数对成形质量和组织性能的影响,并揭示了多孔几何参数对力学性能和生物相容性的影响规律。具体工作及结论如下:（1）基于人体肱骨、颈椎骨和腰椎骨的受力形式,采用带有惩罚的变密度拓扑优化模型,设计出了三种不同类型和孔隙率的多孔结构（压缩型、剪切型和扭转型）。通过对这些多孔结构进行静力学和压缩过程模拟发现,优化多孔结构在相对应的受载情况下应力分布更均匀,应力集中较少,验证了拓扑优化设计的有效性。此外还发现,在相同孔隙率下,压缩型、剪切型和扭转型多孔结构的屈服强度、弹性模量呈依次降低的趋势。随着孔隙率增大,多孔结构的屈服强度和弹性模量均逐渐降低。（2）系统研究了SLM工艺参数对多孔β钛合金的成形质量和组织性能的影响。研究表明,随着激光能量密度的增大,多孔TNTZ合金结构孔隙率减小,尺寸偏差增大,成形质量逐渐降低,屈服强度及弹性模量逐渐提高。当扫描速度为1400 mm/s及激光功率180 W时,成形的多孔材料的内部缺陷最少,具有较优的综合性能。组织分析表明,多孔试样由单一β-Ti相组成并成柱状或胞状形态,在建筑方向上展现出{110}高斯织构。随着扫描速度增大,试样微观组织细化且织构减弱。归一化强度和维氏硬度规律揭示出多孔TNTZ合金的力学性能主要强化机制为第二相强化。最后,建立了工艺参数-结构孔隙率-屈服强度的预测模型:=-0.26(（1）+67.77,=551.5+43.7。（3）基于优化的工艺参数,制备了不同孔隙率及孔隙结构的多孔试样,通过压缩试验和细胞体外培养,系统研究了多孔几何参数对力学和生物性能的影响。结果表明,孔隙率越低,其力学性能和细胞增殖水平越高,而70%孔隙率时最有利于细胞粘附。在相同孔隙率下,本研究优化得到的压缩型多孔较传统多孔结构（立方和体心多孔）具有更优的力学性能和细胞粘附增殖能力。
其他文献
随着社会经济发展,我国住宅产业有了显著发展,居民的居住需求也不断变化。近年来,在人口老龄化加剧、房价高涨、二胎政策开放的背景下,我国居民的多代共同居住需求不断提高,同时住宅多样性设计和适应性设计也成为重要的议题。基于这些现象,对三代居户型适应性设计进行研究,希望能为三代居户型设计提供一些理论借鉴,促进我国住宅产业发展,提高我国居民的居住生活水平。首先,通过文献研究和案例分析,梳理国内外三代居住宅设
纳米孔测序技术因其超长读长的优势在全基因组测序及组装等研究领域备受关注,其核心是利用碱基序列识别算法解码测序电信号以识别被测DNA/RNA分子的碱基序列。受到测序噪音、均聚物、碱基修饰等影响,目前碱基序列识别的原始错误率约10%～15%。且大多数碱基序列识别算法采用基于循环神经网络（Recurrent neural network,RNN）的模型进行碱基识别,受循环结构影响,识别速度较慢。为进一步
发动机前端附件系统（Front End Accessory Drive System,简称FEAD系统）是发动机的重要子系统。曲轴作为FEAD系统的动力来源,其扭振会引发FEAD系统的NVH（Noise,Vibration and Harshness）问题。良好的FEAD系统设计,一方面可以保证系统的正常传动、提高带的寿命和降低维护成本;另一方面,可以减少曲轴扭转振动带来的NVH问题。目前国内关于
城市化进程推进了城市与建筑的大规模更新,城市规划用地以及经济结构发生天翻地覆的变化,相当一部分不能满足现代发展使用需求的工业遗存被闲置,废弃以及拆除。工业遗存的改造再利用成为当下的热门话题。在诸多工业遗存中,工业构筑物是重要的组成部分,而圆形筒仓类工业构筑物因其自身特殊的空间以及结构特征具有重要地位。圆形的平面形式是基于结构理性的产物,相较于其他平面形式具有使用效率最大化的特征,使用也最为广泛,面
随着电动汽车的普及,传统燃油汽车中的发动机被电动机所取代。过去汽车的振动噪声问题主要是以结构噪声为主,而如今空气噪声问题越来越成为汽车NVH（Noise、Vibratio、Harshness）研究的重点。传递路径分析（Transfer Path Analysis,TPA）是一种在汽车工业常用的方法,本文对TPA方法应用在空气噪声的分析进行了研究:（1）利用两个混响室和一个消音室相连接的系统建立了一
复合绝缘子在电网中被广泛应用,常通过检测温升来评估其运行状态。光纤具有体积小、绝缘性能好和不受电磁干扰等特点,本文研究光纤布拉格光栅检测复合绝缘子表面温升的可行性,提出搭建光纤温度传感系统,为实验室研究复合绝缘子异常温升提供一种准分布式、可靠便捷的检测手段。首先,在110 k V和500 k V复合绝缘子表面固定光纤光栅检测其温升,与红外检测技术对比,进行了温度标定试验、光栅布置与复合绝缘子温升试
超级电容器具有充放电快速和输出功率大等优点,近年来受到越来越多的关注。但是,目前最新研究的超级电容器仍然没有达到预期的应用目标,问题的关键在于能量密度的提高,这就需要寻找性能优良的超级电容器的电极材料。由于碳材料具有成本低廉、来源广泛、可生物降解、稳定性高的优点成为超级电容器领域的研究热点。本研究采用多种碳材料——天然木材、碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）以及金属有机框架（MOFs）衍生的
车辆作为便捷的出行工具之一,随着人民生活水平的提高,普及率越来越高,道路上的车流量逐年增加,由此引起的交通拥塞和交通事故日益增多。车联网无线通信技术（Vehicle to Everything,V2X）能够有效扩展车辆感知能力,从而有效提升道路通行效率,减少交通事故。但车联网中传输的安全信息对时延和可靠性要求极高,因此,在当前车联网可用频谱资源十分紧缺的情况下,高效利用5G移动通信带外频谱成为车联
钢箱桁组合连续梁桥为钢桁架与钢箱梁的组合结构,是近年来发展起来的一种新型结构。这种桥梁形式使得桥梁结构既有钢桁梁的竖向刚度,又有钢箱梁的横向刚度,能改善桥梁整体的受力性能,使跨中挠度减小。本文以某拟建高铁特大桥为工程背景,桥梁跨径布置为72m+72m,使用有限元软件Midas Civil建立全桥有限元模型,对这种钢箱梁桁组合连续梁桥进行受力特性计算分析以及设计参数的研究,主要工作和成果如下:1)综
Al和Cu因为具有优良的导电、导热性能,被广泛应用于电气、能源、交通等领域。Al/Cu复合结构在电力电子行业应用较为广泛,在满足构件服役性能的同时,还能减轻构件的重量,降低生产成本,符合日益发展的现代工业对结构轻量化的要求。但是Al和Cu之间的物理化学性质差异较大,采用传统焊接方法难以实现有效或高强的连接。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）作为一种固相连接技术,具有焊