关键词： 尾翼类构件   径向同步加载   整体成形   VW124A合金   高强韧  

摘要： 尾翼类构件作为导弹等武器装备的主要稳定系统,对弹体飞行稳定性、射程和打击精度至关重要。该类构件形状复杂,为带翼片的空心筒体,且关键部位对承载性能要求高,整体成形困难,对材料及成形工艺都提出了极高要求。常规分体成形后再将圆筒和翼片焊合或使用卡槽安装的方法,操作复杂,连接处难以满足构件对力学性能和承载能力的需求;传统的机械切削加工存在加工周期长、材料利用率低和金属流线被切断等问题;而型材挤压工艺存在翼片金属流动不均匀、金属流线分布紊乱且流线分布方向与受拉方向不一致等问题,难以发挥材料的承载潜力。 针对上述问题,本研究以高强韧尾翼类构件的整体成形为研究目标,根据尾翼类构件的几何结构及性能需求,创新性地提出了一种镁合金尾翼类构件径向同步加载（RSL）成形方法,设计出一套适用于尾翼类构件的成形模具,实现尾翼类构件的径向同步加载成形。通过Deform-3D有限元模拟探究了加载方式对尾翼类构件金属流线分布、等效应变分布及应变均匀性的影响,确定适合尾翼类构件成形的径向同步加载工艺;探究毛坯形状、构件几何结构参数及工艺参数对充填性、等效应变及等效应变均匀性的影响规律,获得合理的毛坯形状,几何结构参数范围及工艺参数;通过物理实验成形出无宏观缺陷的尾翼类构件,并通过显微组织观察和力学性能测试分析加载方式对显微组织及力学性能的影响,建立工艺-组织-性能之间的关系,明晰RSL径向强化机理,并量化分析径向强韧化机制;探究变形及热处理参数对组织性能的影响规律,制定了“预时效+RSL+T6热处理”的强韧化工艺路线,实现轻质高强韧尾翼类构件的成形。主要研究结果如下: Fluent有限元模拟结果表明翼片径向屈服强度的提升可显著降低翼片的变形程度,根据尾翼类构件的几何结构和性能需求,提出了可调控金属径向流动的径向同步加载工艺。通过与轴向加载（AL）工艺对比发现:RSL工艺通过对坯料施加径向压应力促进金属径向流动,提升翼片的充填性,有利于形成沿径向分布良好的金属流线,且翼片部位同时受分瓣模内弧面型腔的挤压作用和相邻分瓣模平面之间的压缩作用,有效提高了翼片的等效应变及应变均匀性,有利于提升翼片的抗弯能力和承载能力。 探究毛坯形状、构件几何结构及工艺参数对径向同步加载成形金属流动行为、充填效果、等效应变及应变均匀性的影响规律,给出合理的毛坯形状、构件几何结构参数范围和工艺参数。随着/1和值的增加,充填效果及等效应变逐渐提升,随着值的增加,充填效果及等效应变均呈先降低再提升的趋势,几何结构参数为1.5

关键词： AZ31镁合金   模拟体液   尿酸   葡萄糖  

摘要： 相较于目前在用的骨科植入物如316 L不锈钢、钛合金和聚合物,镁及其合金具有许多完美的优点:良好的生物相容性、较高的生物安全性、促进骨组织修复性以及优良的生物降解性能。这些特点使得镁合金在人体中降解并被吸收,避免了植入物长期存在人体中的健康风险,消除了二次手术,极大地凸显了其作为新一代革命性骨科生物材料的优势地位。然而镁合金植入的生理环境极其复杂,含有各种无机盐如磷酸盐、碳酸盐、氯化物、硫酸盐等和有机物如葡萄糖、氨基酸、蛋白质、尿酸等,对镁合金的腐蚀行为产生了很大的影响。目前已有大量的研究探讨了各种无机盐、葡萄糖、氨基酸、蛋白质对镁合金腐蚀行为的影响作用机制,而关于尿酸尤其是在葡萄糖存在下的尿酸对其腐蚀作用影响机制的研究相对较少。因此,研究尿酸以及尿酸-葡萄糖耦合因素对镁合金腐蚀行为的影响具有重要意义,对推动镁合金在痛风、高尿酸血症以及高尿酸高糖尿病患者体内的临床应用具有较大的实用价值。 本文研究了AZ31镁合金在含有不同浓度的尿酸（CHNO/UA）和葡萄糖(CHO)的模拟体液（SBF）中的腐蚀行为。采用了扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱（EDS）、X-射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱分析（XPS）、拉曼光谱等表面分析手段对AZ31镁合金表面腐蚀产物的形貌、结构、组成进行了分析。采用了电化学阻抗谱（EIS）、动电位极化曲线、析氢法揭示了AZ31镁合金表面原位腐蚀产物保护性能的演变。采用了阳极恒电位极化表征了AZ31镁合金的阳极溶解行为,得到的主要结果如下: （1）UA最初离解为（CHNO）（UA）,并沉淀为（CHNO）Mg(（UA）Mg)。随着（UA）Mg的生成,羟基磷灰石（HA）不断形成,提高了AZ31镁合金的耐蚀性。随后,UA转化为CHNO,并以Ca的形式与HA中的Ca螯合（CHNO）,导致HA损失,削弱了AZ31镁合金的耐腐蚀性。UA对AZ31镁合金的腐蚀有抑制作用,最适浓度为416μM。UA对AZ31镁合金腐蚀的抑制作用与腐蚀产物中（UA）Mg、Mg（PO）和Mg（OH）的含量密切相关。 （2）当模拟体液含有3 m mol/L（简化为mM）葡萄糖时,增加溶液中的尿酸浓度(从200μmol/L（简化为μM）增加至600μM)会提升AZ31镁合金的阴阳极电流密度,加快阴极析氢速度,从而促进AZ31镁合金的腐蚀。当模拟体液含有8 m M葡萄糖时,增加溶液中的尿酸浓度（从200μM增加至600μM）对AZ31镁合金的腐蚀有两个作用:首先,在前3天增加尿酸浓度会提升AZ31镁合金的阴阳极电流密度,加快阴极析氢速度,促进AZ31镁合金的腐蚀,其次会减小AZ31镁合金的阴阳极电流密度,减缓阴极析氢速度,抑制AZ31镁合金的腐蚀。

关键词： 甲基乙烯基硅橡胶   硅烷偶联剂   医用添加剂   生物相容性  

摘要： 我国对于橡胶产品的需求量随着现代社会的飞速发展而逐渐增加,而甲基乙烯基硅橡胶作为一种特种橡胶,具有良好的生物医学性能、耐高低温性能等,广泛应用于工业、食品和医用等领域。但甲基乙烯基硅橡胶的力学性能较低,限制了硅橡胶的应用领域,且存在使用安全性问题,因此对硅橡胶的补强研究增加了硅橡胶的应用领域。本课题使用两种不同型号的甲基乙烯基硅橡胶作为橡胶基体,采用四种不同硅烷偶联剂Si-69、KH-550、KH-570、A-171作为改性剂,对羧甲基纤维素（CMC）、氢氧化铝Al（OH）3这两种医用添加剂进行表面改性,探究两种医用添加剂最佳改性效果的硅烷偶联剂以及使用量。通过测试分析硫化曲线的硫化特性、拉伸强度和断裂伸长率的力学性能、扫描电子显微镜（SEM）的亚微观形态、热重（TG）的耐热性能、细胞增殖及毒性分析的生物相容性、热老化性能、红外谱图的官能团特性等,研究优选出了改性两种医用添加剂的最佳硅烷偶联剂用量对硅橡胶物理性能和生物相容性的影响。主要研究内容如下: （1）采用四种不同硅烷偶联剂不同含量对CMC进行表面改性,分析其力学性能,优选出改性后补强效果最佳的Si-69偶联剂,最佳用量为10%。硫化曲线的测试结果表明:对于两种不同型号硅橡胶添加3.0份的Si-69改性CMC,与添加未改性的CMC相比,最高转矩MH与最低转矩ML之差明显增加,说明改性后增加了CMC与橡胶基体之间的结合力,从而提高了添加剂的增强效果;添加改性CMC后,正硫化时间(T90)明显减小,说明改性CMC的加入参与了硫化过程,提高了硫化速率,缩短了硫化时间。力学性能测试结果表明:Si-69改性CMC的最佳添加量为3.0份,添加改性CMC后,29140型号硅橡胶的拉伸强度从5.38 MPa增长到了7.12 MPa,提高了24.4%;断裂伸长率由336%增长至404%,提高了16.8%;同样29150型号硅橡胶的拉伸强度提高了18.2%,断裂伸长率提高了11.9%。通过SEM观察可以看出,Si-69改性CMC与橡胶基体的界面明显变得模糊,结合红外谱图结果,说明使用Si-69对CMC进行表面改性后,CMC和硅橡胶基体之间明显有化合键产生。通过TG测试表明:添加未改性3.0份CMC和Si-69改性CMC后会明显使热降解温度增加,从而使两种不同型号硅橡胶的热稳定性得到提升,改性CMC的效果更明显,起始分解温度和最快分解温度分别提高了20℃和50℃。热老化性能测试表明:对于两种不同型号硅橡胶,Si-69改性CMC增强的样品力学性能降低幅度更小,说明改性CMC硅橡胶的热老化性能更加优异。细胞增殖和毒性测试表明:添加CMC后没有影响硅橡胶本身的细胞活力,反而会对细胞的增殖有明显作用;同时添加CMC硅橡胶材料的生物相容特性没有降低,略有提高。 （2）采用四种不同硅烷偶联剂不同含量对Al（OH）3进行表面改性,分析其力学性能,优选出改性后补强效果最佳的A-171偶联剂,最佳用量为10%。对于两种不同型号硅橡胶添加2.0份的A-171改性Al（OH）3,与添加未改性的Al（OH）3相比,最高转矩MH与最低转矩ML之差明显增加,说明改性后增加了Al（OH）3与橡胶基体之间的结合力,从而提高了添加剂的补强效果;添加改性后的Al（OH）3后,使T90明显减小,说明改性后Al（OH）3参与了硫化过程,提高了硫化速率,缩短了硫化时间。力学性能测试结果表明:A-171改性Al（OH）3的最佳添加量为2.0份,添加改性Al（OH）3后,29140型号硅橡胶的拉伸强度从5.38MPa增长到了8.07 MPa,提高了33.3%;断裂伸长率由336%提升至362%,提高了7.1%;29150型号硅橡胶的拉伸强度提高了29.7%,断裂伸长率提高了6.4%。通过SEM观察可以看出,A-171改性Al（OH）3与橡胶基体的界面明显变得模糊,结合红外谱图结果,说明改性Al（OH）3和硅橡胶基体之间明显有化合键产生。通过热重测试表明:添加未改性2.0份Al（OH）3和A-171改性Al（OH）3后会明显使热降解温度增加,从而使两种不同型号硅橡胶的热稳定性得到提升。热老化性能测试表明:对于两种不同型号硅橡胶,明显使用A-171改性后的力学性能降低幅度更小,改性过后的热老化性能更加优异。细胞增殖和毒性测试表明:添加Al（OH）3后会对细胞的增殖有明显效果,并且不会影响硅橡胶本身的细胞活力,同时添加Al（OH）3没有降低硅橡胶的生物相容性。

关键词： 铁基非晶涂层   冷喷涂   电化学测试   热处理   生物活性  

摘要： 传统生物金属不具备可降解性,因此需通过二次手术移除,这通常会为患者带来更多的痛苦和经济压力。镁合金以其卓越的力学性能备受推崇,既能作为骨植入材料提供充分的支撑力,又因其独特的生物可降解特性,免除了二次手术的需求,因此被誉为“革命性的医用金属材料”。然而,镁是一种比较活泼的金属,容易与体液和电解质反应,在生物体内腐蚀速率过快,无法提供足够长时间的支持,伤口还未恢复镁合金就已完全降解,从而导致植入失效。此外,镁合金在腐蚀过程中,与体液反应会产生氢气,若降解速率过快,产生的氢气会在体内积聚形成气泡,导致局部组织的压力增加,从而引起炎症或其他并发症,这个问题严重限制了其临床应用。Fe基非晶合金因其具有出色的耐蚀性能,常被科研人员用做表面改性材料,其中FeSiB非晶合金不仅具有优异的耐蚀性,而且可被体液降解、具有一定的生物相容性,可考虑用FeSiB当做涂层材料对镁合金表面改性,减缓镁合金的腐蚀速率,同时在伤口愈合后自然溶解。 本文通过应用冷喷涂（CGDS）技术在ZK60A镁合金表面成功沉积了Fe78Si9B13非晶涂层,并对该涂层的组织结构和力学性能进行了全面表征。通过进行浸泡腐蚀实验、电化学动电位极化测试和电化学阻抗谱（EIS）测试,深入探讨了非晶涂层在模拟体液（SBF）中的腐蚀机制。此外,对浸泡后的腐蚀表面形态及其产物进行了详细分析,以评估涂层的骨诱导性能。本研究还对此铁基非晶涂层进行了不同温度下的热处理,进一步探究了热处理对涂层性能的影响。通过比较热处理前后涂层的结构和性能差异,旨在揭示热处理如何影响涂层的结构和功能特性,研究结果如下: （1）在不同喷枪移动速率下,通过冷喷涂技术在ZK60A镁合金表面制备铁基非晶涂层。结果显示随着喷枪移动速率的增大,虽然涂层的厚度逐渐减薄,但是非晶占比逐渐增加。而涂层的平均硬度随喷枪移动速率的加快先增大后减小,涂层的孔隙率先减小后增大。在速率为200 mm/s时,喷涂得到的铁基非晶涂层的有最高的平均维氏硬度（836.2 HV）,孔隙率最小,为2.73%,有较高的非晶相占比（92.6%）,且涂层没有明显的孔隙聚集和通裂纹,涂层质量相对较好。对不同喷枪移动速率下喷涂制备的非晶涂层与ZK60A镁合金在SBF中做了电化学腐蚀测试,发现所有非晶涂层的腐蚀速率都要优于镁合金（9.15 mm/a）。其中,在喷枪移动速率为200 mm/s下,有最高的自腐蚀电位（-0.797 V）,相对于ZK60A镁合金的自腐蚀电位（-1.491 V）正移了694 mV,此外,该速率下的腐蚀速率（0.55mm/a）也是最小,显示出了最接近医用植入材料要求（0.20-0.50 mm/a）的性能。 （2）在晶化温度（494℃）以下,对喷枪移动速率为200 mm/s制备的铁基非晶涂层在不同温度下进行0.5 h热处理。与原始涂层相比,在350℃下热处理有较好的综合性能,其非晶相含量（91.7%）与热处理前非常接近,孔隙降低至0.67%,平均硬度为873.4 HV。350℃下热处理后,自腐蚀电位较低,值为-0.684V,非晶涂层电位正移113 mV,在SBF中腐蚀速率（0.26 mm/a）最慢,可用于需要长期支撑的部位。而450℃热处理后腐蚀速率（0.50 mm/a）最快,适用于需要较快生物降解以促进组织生长的区域,这一发现使得根据植入部位的预期使用寿命,选择合适腐蚀速率的材料成为可能。 （3）Fe基非晶涂层显示出一定的生物活性,能够促进骨组织成分在其表面的沉积与聚集,从而为人体骨骼的生长提供了一个理想的环境,非晶涂层腐蚀时产生的（Fe,Si）-OH基团,能诱导钙磷盐沉积。浸泡30天后,非晶涂层表面Ca与P元素的比值非常接近羟基磷灰石的比值。

关键词： AZ31镁合金   微弧氧化   层状双氢氧化物   减摩耐蚀   自修复  

摘要： 镁合金具有导电导热性好、比强度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽性好等优异性能,作为轻质金属材料具有广阔的应用前景。但在服役环境中的耐磨性和耐蚀性较差,极大地限制了镁合金的应用范围。本文分别利用微弧氧化技术（Micro-arc oxidation,MAO）和水热处理技术,在AZ31镁合金表面制备了微弧氧化涂层与层状双氢氧化物（Layered double hydroxides,LDHs）相结合的复合涂层（MAO-LDHs）,通过向复合涂层中添加缓蚀剂等方法,研究了具有减摩耐蚀、自修复作用的新型复合涂层。并对复合涂层的制备工艺、形貌组成以及在镁合金表面所发挥的减摩、耐蚀、自修性能进行了分析。 首先,通过水热处理技术在MAO涂层表面制备了Mg-Al-Ce LDHs,来填补氧化膜表面的微孔、微裂纹。通过探索水热温度、Ce3+浓度的变化对Mg-Al-Ce LDHs涂层的摩擦系数、腐蚀电位和腐蚀电流密度的影响,确定了最佳的水热条件为145℃、Ce3+与Al3+的物质的量之比为1/5,该条件下制备的MAO-LDHs复合涂层的减摩耐蚀性能有了明显的提高。 其次,利用LDHs层间阴离子的可交换性,在Mg-Al-Ce LDHs的结构中负载了多种缓蚀剂阴离子。通过向水热溶液中添加碳酸铵、钼酸钠、钨酸钠、十二烷基硫酸钠（SDS）制备了不同阴离子插层的LDHs。结果表明,在水热溶液中添加0.01 mol SDS时MAO-LDHs复合涂层的减摩效果显著,同时复合涂层的腐蚀电流密度相较于AZ31镁合金下降了4个数量级。利用划痕实验对添加0.01 mol SDS的MAO-LDHs复合涂层的自修复性能进行检验,发现该涂层具有较好的主动防护能力。 最后,利用磷酸盐对MAO涂层、SDS对LDHs涂层进行改性处理,研究了双重改性对MAO-LDHs复合涂层相关组织性能的影响。发现MAO涂层经过10 min磷酸盐改性处理后,其表面生成的三元LDHs更加致密,且更倾向于沿富镁、铝元素的区域呈团簇状生长。同时由磷酸盐和SDS双重改性的MAO-LDHs复合涂层,也展现出了更为优异的耐蚀及自修复性能。

关键词： 活性短肽   黑色素抑制   抗氧化   生物相容性   紫外线  

摘要： 长时间暴露在紫外线(UV)照射下,会刺激皮肤细胞产生更多的黑色素和自由基,引发色素沉着和光老化等皮肤疾病。目前,防止色素沉着和光老化的有效途径主要是降低酪氨酸酶(TYR)的活性和清除自由基。但现阶段广泛应用的皮肤保护药物普遍存在刺激性或毒副作用强、稳定性差等缺点。肽作为一类易吸收,安全性高的小分子,在皮肤保护领域的开发和应用逐渐引起研究人员的关注。其中具有生物活性的黑色素抑制肽(MIP)和抗氧化肽(AP)已被证明对皮肤保护具有积极作用。目前MIP和AP主要是从天然蛋白中提取和鉴定,但这种途径获得的活性肽功能单一且分子量普遍较大,难以进入皮肤内部,在实际应用过程中无法充分发挥其生物功能。 针对这些问题,本文通过“固相合成法”设计并合成了具有黑色素抑制能力的P1(CASYIG)、P2(CASYI)和抗氧化能力的P3(ECGCW)、P4(WCGCE)。P1具有优异的酶抑制和抗氧化能力,通过阻止TYR对多巴等底物的催化,减少黑色素生成。其次,P1具有良好的生物相容性和黑色素细胞亲和,可以更好的作用于黑色素细胞,避免因为全身扩散导致的疗效降低。最后P1表现出良好的皮肤穿透和黑色素抑制效果,局部应用在小鼠皮肤表面时对色素沉着表现出明显的抑制作用,表明P1在皮肤美白领域具有巨大的应用潜力。 P3可以有效地淬灭多种非生理性和生理性自由基,避免UV照射生成的大量自由基对细胞造成直接损伤;同时P3表现出的提高抗氧化酶活性的能力,增强机体氧化防御系统,避免氧化应激导致的间接损伤。此外,P3能够延缓细胞衰老而且在局部应用时显著降低了UV对小鼠皮肤的损伤,防止皮肤老化,因此P3在医美和医药行业具有广阔的应用前景。 综上,本文从皮肤保护的角度出发,通过固相合成法合成了具有皮肤保护功能的黑色素抑制肽P1和抗氧化肽P3。对其进行理化性质、细胞活性和动物模型的探究,验证了它们的皮肤保护效果。而且P1和P3相较于市售的熊果苷(Arb)和谷胱甘肽(GSH)等活性成分在皮肤保护领域表现出更好的生物学性能和安全性,在皮肤紫外防护领域具有更大应用潜力。

关键词： 镁合金   微弧氧化   钙磷涂层   耐蚀性  

摘要： 镁（Mg）合金具有低密度、生物降解性和与人骨类似的弹性模量,已被认为是一种很有前途的生物医用材料。Mg及其合金主要缺点是耐腐蚀性和生物活性较差。微弧氧化（micro-arc oxidation,MAO）是一种有效的表面改性方法,可在镁合金表面原位制备陶瓷涂层,以提高其耐腐蚀性,但产生工业废水。由于钙和磷是骨头中的主要元素,并且磷酸钙（Ca-P）因具有良好的生物活性而受到科学界广泛关注。本文兼顾涂层的性能和溶液的环保性,选用低毒性植酸（IP6）、磷酸钠（Na3PO4）、葡萄糖酸钙（Ca Glu2）、甘油磷酸钙（Ca-GP）和磷酸二氢钙(Ca（H2PO4）2)等组分,在碱性溶液中分别采用单因素实验和正交实验,在镁合金表面制备Ca-P涂层,研究了电解质对氧化膜性能影响,并筛选出最佳耐蚀性工艺。本论文得出以下结论: （1）在碱性电解液中,研究Na3PO4浓度、Ca Glu2浓度和Ca-GP浓度对MAO涂层性能影响。结果表明:随着Na3PO4浓度增加,P含量和厚度不断增加。随着Na3PO4浓度增加,氧化样品icorr值先逐渐变小再逐渐变大。当Na3PO4浓度为4 g/L,样品耐蚀性最好,其icorr值达到最低值,比基体腐蚀电流密度(icorr)小2个数量级。随着Ca Glu2浓度增加,Ca含量增加。当Ca Glu2浓度从1 g/L增加到9 g/L,涂层厚度先增大后减小。随着Ca Glu2浓度增加,耐蚀性逐渐减小。当Ca Glu2浓度为1 g/L时,耐蚀性最好。在3.5%Na Cl溶液中浸泡实验结果表明,Ca Glu2在低浓度是缓蚀剂,在高浓度是腐蚀剂。随着Ca-GP浓度增加,氧化膜Ca含量和icorr值增加,厚度不断减小,样品表面微裂纹逐渐减小。当加入Ca-GP浓度为1 g/L时,icorr值达到最低值,耐腐蚀性能最佳。 （2）在含Na OH基本溶液中,选择两种磷酸盐（有机IP6和无机Na3PO4）和两种钙盐(有机Ca Glu2和无机Ca（H2PO4）2),并通过四因素三水平正交实验和单因素实验研究了它们对MAO涂层性能影响。结果表明:对Ca含量的影响顺序为Ca Glu2>Ca（H2PO4）2>IP6>Na3PO4;对P含量的影响顺序为IP6>Na3PO4>Ca Glu2>Ca（H2PO4）2。与无机Ca（H2PO4）2或磷酸钠相比,有机Ca Glu2或IP6对涂层中Ca或P量的影响更为重要。钙离子和磷离子主要通过扩散进入阳极涂层。影响涂层耐腐蚀性的四个因素顺序为Ca Glu2>Ca（H2PO4）2>Na3PO4>IP6。MAO涂层耐腐蚀性由表面微裂纹和涂层厚度共同决定。单因素实验结果表明,Ca Glu2和Ca（H2PO4）2可以共同提高涂层厚度、Ca含量和耐腐蚀性能。同样,IP6和Na3PO4可以协同提高涂层厚度、P含量和耐腐蚀性。 （3）为进一步筛选最佳耐蚀性工艺,在优化后的工艺基础上,研究恒流模式下Na OH浓度和恒电压对氧化膜耐蚀性影响。结果表明:当Na OH浓度为8 g/L时,Ca、P含量最高,涂层厚度最厚,icorr值最小,比基体icorr值小2个数量级,耐蚀性最佳。恒压模式下,当电压为350 V时,Ca含量较高,氧化样品耐蚀性最佳。在模拟体液中浸泡实验结果表明:浸泡不同时间后得到的样品与对照样品（浸泡0D的样品）相比,样品中Ca/P比增加,提高了镁合金生物活性。

关键词： 钛基复合材料   羟基磷灰石   微观结构   摩擦磨损   生物相容性  

摘要： 钛及钛合金凭借出众的强度、良好的耐腐蚀性、热稳定性以及优异的加工性能,在生物医用领域得到了广泛的青睐与应用。近年来,经过科研人员地不断研发,添加各种元素来制备新型钛基复合材料成为一个热门方向。Mo元素是一种强效β稳定元素,加入后不仅可以提升合金的力学性能,还有助于改善人体的内环境,因此Ti-Mo合金在医用植入材料领域具有巨大的潜力。然而,与其他钛合金类似,Ti-Mo合金同样表现出生物惰性,其表面不利于人体组织生长并形成稳定的结合,在长期应用过程中可能会发生松动等一系列问题。羟基磷灰石生物陶瓷（HA）对于改善材料的生物活性和生物相容性具有独特的效果,但是陶瓷特有的脆性大的特点导致其无法承受较大的载荷。本文采用粉末冶金技术为核心,以Ti-Mo合金为基础,加入HA粉末作为增强相,通过球磨、模压、烧结制备Ti-15Mo/HA复合材料,探讨HA以及热处理对微观结构、摩擦磨损性能和体外生物相容性产生的影响,并研究其内在机理。 由于HA发生分解以及与Ti的化学反应使得复合材料内部出现尺寸不均的孔隙,这对其密度产生了很大影响,使其从Ti-15Mo的4.8775g/cm3降低至Ti-15Mo/8HA的4.5070g/cm3。Ti-15Mo/HA复合材料的物相主要由α-Ti和β-Ti组成,此外还包含由HA引入的CaTiO3、Ca3（PO4）2、CaO等陶瓷相。HA带来的O元素是一种促进α-Ti生成的α稳定元素,而陶瓷相和孔隙则阻碍了Mo作为β稳定元素的作用,因此HA含量的提升造成了α-Ti的增加和β-Ti的减少。经过固溶和时效处理后,α-Ti被细化且在基体内分布更加均匀。快速冷却过程使复合材料内部出现了斜方马氏体α″相,而在高Mo含量以及时效过程的影响下,也有ω相生成。 在Mo和Ti的固溶强化以及陶瓷相的弥散强化作用下,Ti-15Mo/HA复合材料具有较高的显微硬度,且在空气介质和模拟体液环境中的摩擦系数和磨损率均低于Ti-6Al-4V合金。得益于液体环境的吸热和润滑作用,复合材料在模拟体液中表现出更好的耐磨性能,其中以Ti-15Mo/5HA复合材料的耐磨性能最佳,其磨损机理以磨粒磨损为主,并表现出轻微的粘着磨损。经过固溶和时效处理后,在晶粒细化、马氏体和ω相的生成等因素的协同作用下,复合材料的显微硬度被进一步提升,这促使复合材料的耐磨性能也得到了增强。在空气介质和模拟体液环境中,Ti-15Mo/5HA复合材料的磨损率相较于热处理之前分别下降了13.18%和23.51%,耐磨性能提升显著,且在磨损过程中由磨粒磨损占据绝大部分比例,粘着磨损现象极少发生。 体外生物相容性试验的结果显示,添加Ti-15Mo/5HA复合材料浸提液进行培养的小鼠成骨细胞,表现出的细胞活力和数量均高于添加Ti-15Mo合金浸提液的细胞,并且复合材料组的细胞生长增殖状态良好、形态清晰饱满,细胞伪足数量随培养时间呈现上升趋势。这表明Ti-15Mo/HA复合材料具有良好的生物相容性,在生物医用骨修复材料领域具有潜在优势。