关键词： 超声辅助扩散焊   氧化锆   镁合金   界面结合   过渡层  

摘要： 氧化锆陶瓷作为应用广泛的结构陶瓷,将其与轻质合金进行连接组成陶瓷-金属复合结构件,在航空航天、电力电子、新能源等领域都有广泛应用,表现出巨大的市场前景和发展潜力,而镁合金作为近年来广受关注的轻质合金的代表,其与氧化锆陶瓷的连接显得十分必要。本课题正是基于现代工业对于氧化锆陶瓷与镁合金连接的需要,通过采用超声辅助扩散焊的方法对氧化锆陶瓷与镁合金进行连接,超声的高频振动不仅能够在低温下去除陶瓷与金属界面的氧化膜,还可以加速界面间原子的相互扩散,从而在特殊的冶金环境下实现氧化锆陶瓷与镁合金的可靠界面结合。 首先,采用Al作为中间层实现了氧化锆陶瓷与镁合金的可靠连接,研究了相应的工艺参数变化对接头组织和性能的影响规律。结果表明,在焊接温度为T=200℃时,随着超声作用时间的延长,Mg、Al界面间首先生成Al12Mg17化合物,并且化合物从最初的岛状断续分布逐渐演变为层状连续分布,化合物的形成使接头强度先增大后缓慢降低,当超声作用时间为t=6s时,接头最大抗剪强度达到约39.4MPa,此时接头完全断裂于Al12Mg17化合物层;再通过调控中间层厚度,形成了完全由Al12Mg17化合物层所组成的接头,且当中间层厚度为5μm时,形成完全的化合物层所用的超声作用时间仅为t=8s;接着研究了焊接温度对接头组织的影响,发现随着焊接温度升高,Al12Mg17化合物层逐渐变厚,当温度达到T=300℃后,界面处化合物层开始局部熔化,且焊接温度的提高直接影响了接头的力学性能,接头的剪切强度随着焊接温度的提高呈先增大后降低趋势,当焊接温度达到250℃时,接头抗剪强度达到最大值约39.7MPa。通过透射电子显微镜对氧化锆与Al中间层界面之间的冶金机理进行分析,结果表明,在氧化锆与Al界面间生成了一层约3～4nm的非晶Al2O3过渡层,其对氧化锆陶瓷与Al中间层的连接起到至关重要的作用。 在相同的工艺条件下,成功实现了氧化锆陶瓷与镁合金的直接连接。研究了相应工艺参数的变化对接头组织和性能的影响,结果表明,随着超声作用时间逐渐延长,氧化锆与镁合金从未焊合状态逐渐演变为界面紧密结合状态,且界面间并未生成微观可见的新相,接头剪切强度在超声作用时间为t=8s时达到最大值约30.47MPa,此时接头的断裂集中于陶瓷内部;焊接温度的改变对接头微观组织并未产生较大影响,接头剪切强度在焊接温度为T=250℃时达到最大值约33.91MPa,此时接头断裂亦集中于陶瓷内部。通过透射电子显微镜分析氧化锆陶瓷与镁合金结合界面的冶金反应机制,结果发现氧化锆陶瓷与镁合金界面处生成了一层约50～60nm的Mg Al2O4镁铝尖晶石结构,对过渡层附近的氧化锆陶瓷进行选区衍射分析,发现在氧化锆陶瓷晶粒内部产生大量位错,位错的产生对氧原子的迁移过程起到促进作用,使其能够快速扩散到界面附近与镁、铝原子结合,从而使氧化锆陶瓷与镁合金实现可靠连接。

关键词： 镁合金   超声滚压   高尿酸血症   腐蚀行为   COMSOL仿真   模拟体液  

摘要： 由于镁合金具有良好的生物相容性和降解性,且其密度和弹性模量与人体骨骼接近,作为潜在的生物植入物材料受到广泛关注,然而镁合金抗腐蚀性能较差导致植入初期起不到应有的力学支撑作用。超声滚压引起的塑性变形能够提高镁合金的力学性能,进而影响腐蚀性能,体液中的有机物成分也会对腐蚀性能造成影响。因此,研究超声滚压次数和尿酸含量对AZ31B镁合金在动静模拟体液中腐蚀行为的影响,对于镁合金植入物在高尿酸血症患者体内的潜在应用具有参考意义。论文的主要研究内容如下:(1)首先对车削和不同遍数超声滚压后的镁合金试样进行表面粗糙度测试,接着在静止高浓度尿酸模拟体液中进行短期浸泡腐蚀试验,分析电化学腐蚀行为和浸泡腐蚀形貌,发现超声滚压能改善AZ31B的表面粗糙度和抗腐蚀能力,滚压遍数的增加能够降低镁合金的表面粗糙度值,但电化学活性增强,对腐蚀的阻碍作用减弱,腐蚀形貌表明腐蚀产物剥落速度加快。(2)超声滚压镁合金在不同浓度尿酸静止模拟体液中进行短期和长期浸泡腐蚀试验,分析电化学腐蚀行为、浸泡腐蚀形貌和腐蚀速率。短期浸泡腐蚀试验中,尿酸浓度为210μmol/L时,腐蚀产物剥落较多,对腐蚀的阻碍作用较弱;尿酸浓度为630μmol/L时,腐蚀产物剥落较少,对腐蚀的阻碍作用较强。在长期浸泡腐蚀试验中,镁合金在含尿酸模拟体液中的腐蚀速率比在未含尿酸模拟体液中更大。尿酸浓度为210μmol/L时腐蚀速率最大,尿酸浓度达到420μmol/L时腐蚀速率降低,尿酸浓度进一步升高后腐蚀速率再次增大。腐蚀表层的宏观形貌在尿酸浓度低于420μmol/L时呈现深孔点状分布,高于420μmol/L时在蚀坑周围逐渐出现疏松沙眼状腐蚀产物。尿酸通过质子迁移反应形成的2,6,8-三羟基嘌呤电离后的O会吸引溶液中的Ca和Mg,使得尿酸浓度升高时腐蚀产物层对腐蚀的阻碍作用更强。较高的尿酸浓度促进2,6,8-三羟基嘌呤的电离反应进行,产生更多的H使腐蚀产物层更易破坏。(3)通过COMSOL仿真流动体液环境,构建模拟体液流动循环装置,进行超声滚压镁合金在两种浓度尿酸流动模拟体液中的短期浸泡腐蚀试验,分析电化学腐蚀行为和浸泡腐蚀形貌。开展了动静液高浓度尿酸模拟体液中的腐蚀失重试验,发现体液的流动使腐蚀产物剥落更快,对腐蚀的阻碍作用减弱,从而加快了镁合金的短期浸泡腐蚀速率。

关键词： ZK61镁合金   拉伸屈服强度   塑性   织构   晶粒尺寸  

摘要： 镁合金是目前应用最广泛的轻质高强的金属结构材料。但由于镁合金是密排六方晶体结构,在变形过程中极易产生织构。织构的存在会严重影响镁合金的屈服强度和塑性等力学性能,从而限制了镁合金的拓展应用。如织构的存在会使得镁合金的性能产生各向异性,即在不同方向上发生塑性变形时的力学性能存在显著差异。这主要是由于具有不同织构状态的镁合金材料在发生塑性变形时,主导塑变机制的激活比例存在较大差异。不仅织构会对镁合金的力学性能产生影响,晶粒尺寸也是镁合金的力学性能的重要影响因素之一。其主要通过细化晶粒尺寸而达到改善镁合金屈服强度和塑性等力学性能的目的。因此,系统研究织构状态和晶粒尺寸对镁合金屈服强度和塑性等力学性能的影响规律对帮助完善变形镁合金的塑性变形基础理论具有重要意义。为此,本文通过制备具有不同织构状态和不同晶粒尺寸的镁合金材料,系统研究了织构和晶粒尺寸对镁合金强塑性的影响规律。基于Sachs假设,构建并优化了 SemiSachs流动应力预测模型,实现了镁合金力学性能的预测。为镁材基于织构调控的力学性能改善提供理论支撑。 首先,针对三种典型织构状态的镁合金材料系统探讨了织构状态对强塑性的影响规律。研究表明,不同织构状态拉伸屈服时各变形机制的开动比例存在明显差异,从而使得其屈服强度存在显著差异。其中倾斜织构试样的拉伸屈服强度最低,其相对应的塑性最好,分别为172.8MPa,32.0%。这是由于倾斜织构试样在拉伸屈服时基面滑移和拉伸孪生的开动比例最高,分别为0.77和0.16。而对于挤压丝织构试样和漫散织构试样,其在拉伸屈服时的主要变形机制为基面滑移和柱面滑移,从而导致其屈服强度较高,而塑性却相对较差。此外,优化后的SemiSachs流动应力预测模型很好的预测了具有不同织构状态的镁合金材料的室温拉伸力学性能曲线。并且我们针对发散弱化和偏离弱化两种典型弱化方式不同弱化程度进行了研究。结果表明,随着织构弱化,其屈服强度逐渐降低。而均匀延伸率随着多系滑移的施密特因子增大先减小再增大。 其次,由于镁合金的力学性能不仅受到织构的影响,也会受到晶粒尺寸的影响。为此,我们基于不同织构状态和晶粒尺寸的镁合金材料,深入探讨了织构和晶粒尺寸对镁合金强塑性的综合影响。结果表明,织构弱化所导致的屈服强度的降低效果高于晶粒细化所带来的屈服强度提高的效果。此外,我们对SemiSachs流动应力预测模型再次进行优化,将晶粒尺寸的影响因素考虑进去,该模型对不同织构状态和晶粒尺寸综合影响下的应力应变曲线的预测精度更高。并且借助Considere方程式:dlnσ/dε=1获得了不同织构状态和晶粒尺寸的均匀应变值,获得了织构和晶粒尺寸对塑性的综合影响规律:均匀应变随着晶粒尺寸的增大而增大并最终趋于一个稳定值。

关键词： Mg-Al-RE合金   化学转化   硅烷偶联剂KH550   腐蚀防护   酸洗  

摘要： 结构材料作为重要的受力构件,常要求具有一定的抗腐蚀能力,其耐蚀性对构件的使役安全性及使役寿命有着重要的影响。镁合金作为轻合金结构材料拥有众多的优良性能,应用前景较为广阔。但镁合金标准电极电位较低,容易发生腐蚀,其表面产生的自然氧化膜较为疏松,对基材起不到较好的保护作用。镁合金较差的耐蚀性直接对采用镁合金材料的设备及金属制品的安全运行产生了重大危害,可导致仪器设备失效,从而造成安全生产事故。因此,镁合金的腐蚀防护变得十分重要,而化学转化技术作为一种简单、经济的方法在镁合金腐蚀防护领域得到了广泛的应用。本文以3C产品用的新型高强高韧的Mg-Al-RE合金压铸件及铸锭作为研究对象,采用较为绿色环保的化学转化方法对镁合金进行表面防腐蚀处理,从而提高镁合金产品的耐蚀性。本文的主要工作及结果总结如下:1、有效酸洗方案的筛选。以镁合金压铸件经碱洗、酸洗和表调后的产品的表面质量（均匀性、清洁度、色泽）为主要技术指标,通过固定碱洗及表调工艺,对各种酸洗方案对压铸件的清洗效果进行评价,筛选出最优的酸洗方案。最终锁定效果最好的三种方案为:1)Cr O3 180.0 g/L,Fe（NO3）3·9H2O 40.0 g/L,KF 3.5 g/L;25.0±3℃,2.0 min;2)H3PO4 600.0 g/L,25.0±3℃,30.0 s;3)HNO3 50.0 g/L;25.0±3℃,30.0 s;结果表明上述三种酸洗方案对镁合金压铸件的清洗效果最为显著。2、化学转化溶液组分筛选、各组分浓度及转化参数优化。以转化膜的耐蚀性、外观均匀性为主要技术指标,系统的研究了络合剂的种类及浓度,硅烷偶联剂的种类、浓度及水解时间,添加剂的种类及浓度,转化时间,转化温度对转化膜外观及耐蚀性的影响。研究表明最佳的转化液配方及转化参数为:Mn CO3 20.0 g/L,H3PO4 44.0 m L/L,络合剂C 5.0 g/L,KH550 10.0 m L/L,（NH4）3PO4 5.0 g/L,25.0±3℃,2.5 min。经上述工艺处理后可在镁合金铸锭的表面获得外观均匀细腻的灰色转化膜,其耐盐雾时间可达26 h。3、典型试样的微观结构分析及性能检测。对最终所获得的转化膜进行扫描电镜（SEM）、X射线光谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）等表面微观结构分析;同时对转化膜进行腐蚀失重测试、中性盐雾测试、电化学测试来表征转化膜的耐蚀性能。结果表明,最优工艺所获得的转化膜的耐蚀性能优异,对基材的腐蚀防护能力较强,能有效阻止镁合金的腐蚀。4、通过对转化膜微观形貌及成分的分析,提出了这种硅烷-磷酸盐复合转化膜可能的成膜机理;通过对腐蚀后样品表面的元素分布,对转化膜的腐蚀防护机理做了讨论。

关键词： AZ31镁合金   未焊合缺陷   倾斜穿透搅拌摩擦焊   材料流动   微观组织   力学性能  

摘要： 作为一种固相连接技术,搅拌摩擦焊(FSW)能够避免熔化焊易产生的缺陷,是镁合金连接的优选方法,但仍然存在问题。镁合金的塑性变形能力有限,通常采用较高的热输入才能避免焊接缺陷,这使得焊接速度通常较低;而由于背部垫板的限制,搅拌针长度通常略短于板材厚度,在实际工况中板材厚度往往不均,这使得长距离焊接时因根部搅拌不充分而引起的未焊合缺陷无法避免。针对上述两种问题,本研究提出采用倾斜穿透搅拌摩擦焊技术,以目前应用最广泛的AZ31B镁合金为研究对象,避免了未焊合缺陷的产生,保证了焊缝的良好成形,在有效提高焊接速度的同时,获得了高强度的焊接接头。 研究发现,焊缝成形与工艺参数有关。焊接热输入较大有利于焊缝下表面成形,而热输入较小有利于上表面成形。转速较低时接头截面为“盆”形,焊核区左右不对称,而转速较高时接头截面变为“沙漏”形,前进侧SZ/TMAZ边界与接头横向的夹角由锐角变为钝角。特殊的截面形貌与盲孔材料参与的焊缝形成过程有关,前进侧回流材料数量大、迁移距离远是前进侧焊核区面积远大于后退侧的原因。 接头各区域微观组织特征不同。焊核区由上到下晶粒尺寸依次减小,前进侧焊核区边缘的晶粒尺寸大于后退侧,随着焊接热输入的增加,焊核区晶粒尺寸逐渐大于热机影响区。焊核区上部与下部的再结晶程度较低,而中部较高,随着焊接热输入的增加,接头各区域再结晶程度上升。焊核区上部与下部形成了剪切面平行于搅拌针锥面的强烈B织构,中部由于流动混乱形成了剪切面改变且强度较低的B织构;由焊核区中心向两侧边缘,晶粒c轴由平行于WD逐渐转向平行于RD,前进侧的旋转角度更大;随着焊接热输入的增加,接头各区域织构强度下降。 接头力学性能随工艺参数变化而变化。随着焊接热输入的增加,接头抗拉强度与延伸率均呈现先增后减的趋势,转速为1600rpm的接头性能最佳,抗拉强度达到母材的87%。当焊速在100mm/min至500mm/min范围内时,接头的抗拉强度始终维持在母材的80%以上,说明倾斜穿透搅拌摩擦焊能够显著提高焊速,增幅达到150%。转速为1200rpm的接头由于织构弱化断裂于前进侧焊核区边缘,转速为1600rpm的接头由于晶粒粗化断裂于焊核区中心,转速为2000rpm的接头由于减薄不对称断裂于后退侧热影响区。随着转速的增加,硬度极小值位置逐渐由焊核区边缘转移至焊核区中心。 接头力学性能主要受晶粒尺寸与晶粒取向(织构)影响。焊核区中晶粒c轴与WD成45°夹角的位置为硬度薄弱处,而c轴与RD成45°夹角的有利于滑移位置和平行于RD的有利于孪生位置间的过渡区域为拉伸薄弱处,但仍要综合考虑晶粒尺寸的影响。随着转速的增加,控制接头性能的主导因素由织构弱化转变为晶界弱化,造成接头抗拉强度的单调上升以及断裂位置的变化。

关键词： 可降解镁合金   双金属氢氧化物   点腐蚀敏感性   物理屏障   自修复  

摘要： 腐蚀降解速率过快和严重的局部（点）腐蚀（不可预见性）依然是阻碍镁合金在医用植入材料领域广泛应用的最大“绊脚石”（均匀化降解是镁合金临床应用的前提）。其中,表面覆膜或改性是兼顾腐蚀降解速率调控和生物功能化最有效的措施之一。近年来,双金属氢氧化物（LDHs）因其组分多样化、层状结构可调控性、独特的层间阴离子交换性和高生物相容性等特点,镁合金表面构筑LDHs膜在腐蚀防护和生物功能化应用研究领域备受青睐。然而,LDHs微晶片垂直于衬底的固有取向生长趋势,导致相邻LDHs片交错形成丰富的微空隙,表现出局部腐蚀（点蚀）高敏感性。因此,镁合金表面LDHs功能化膜层的服役周期,极大程度依赖于LDHs膜对镁合金降解速率和局部腐蚀的调控效果。本研究主要探索降低镁合金表面点腐蚀敏感性的LDHs膜的微结构特征;从阻隔侵蚀介质的角度,阐明封闭LDHs空隙对镁合金的缓蚀优化作用及蚀坑扩张过程的影响;进一步地,从腐蚀防护的稳定性出发,提出了“阻滞侵蚀离子+主动自修复”的双重腐蚀防护膜构筑策略;最后,通过体外浸泡、抑菌试验初步验证LDHs复合缓蚀膜的综合耐蚀性能、膜层稳定性及抑菌效果。本文主要研究内容及结果如下:首先,探索降低点腐蚀敏感性所需的LDHs膜微结构特征。从空隙均匀性和LDHs片生长取向调控入手,通过对镁合金基底预处理或预晶化处理,实现了对LDHs原位取向生长的可控调节(如:ab面平行的LDHs膜（P-LDHs）,致密态ab面垂直的LDHs膜（Vd-LDHs）)。研究侵蚀后腐蚀形态发现:P-LDHs膜往往倾向出现丝状腐蚀;随机生长的LDHs膜（V-LDHs）表现为零星但严重的蚀坑,而Vd-LDHs则呈现密集但微小的点蚀坑（“均匀化”腐蚀过程）。通过电化学噪声技术及随机信号分析,阐明了“均匀化”腐蚀过程的机理:LDHs片介导侵蚀离子均匀地纵向扩散或浸渗,进而形成密集但微小的点蚀坑。接着,探究无机纳米颗粒封闭LDHs空隙对缓蚀的优化作用及局部腐蚀形态的影响。首先将惰性ZrO2纳米颗粒作为空隙封闭物质,制备出LDHs/ZrO2复合膜,出乎意料地,提升LDHs/ZrO2膜的致密度并未提高其耐蚀性的稳定性。进而,将活性CaP或可降解ZnO纳米颗粒嵌入LDHs膜空隙中,制备出纳米级分散的LDHs/CaP和LDHs/ZnO复合膜。研究了CaP/ZnO的化学特性与点腐蚀扩张的相关性。在模拟体液中长期浸泡试验中观察到截然不同的腐蚀形态:LDHs/CaP的为类似“树根”的狭长侵蚀通道,且具有明显的纵向裂纹特征;LDHs/ZnO的则为圆而浅的腐蚀坑,其蚀坑底部被含锌的片状膜层覆盖。最后,通过对侵蚀坑微观形态及降解产物组分分析,阐明了CaP/ZnO纳米颗粒对蚀坑扩展及演变的调控机理。其中,ZnO纳米颗粒通过溶解/再结晶在蚀坑底部原位形成“次级”防护膜,削弱了腐蚀坑优先纵向扩展的趋势。基于上述CaP可诱导浸泡液中钙磷组分的沉积,进一步地探究了“致密”型LDHs/Bg复合膜层（生物活性玻璃,简称Bg）缓蚀作用的稳定性。首先研究了侵蚀环境pH与插层离子对LDHs阴离子交换的影响,结果显示:最初6小时内阴离子交换过程较快,并在40小时后趋于平衡,且碱性条件有利于阴离子交换。通过对蚀坑微观形态及降解产物组分分析,阐明了插层中F-与Bg膜对侵蚀坑自修补的协同作用:与Cl-离子交换后,F-与附近的降解产物Mg2+或Bg层溶解的Ca2+相互作用,在蚀坑内形成不溶性沉积物(Mg F2和Ca10（PO4）6F2),从而削弱坑蚀的扩展趋势。基于上述LDHs/ZnO膜通过溶解/再结晶在蚀坑底部原位形成“次级”防护膜,进一步优化膜层,构筑了LDHs/ZnO（⊥）(ZnO纳米柱阵列垂直生长于LDHs片表面),并对ZnO纳米柱表面进行烷基膦酸酯（ODPA）修饰。研究发现:只有当LDHs/ZnO（⊥）膜微空隙降至纳米级以下,ODPA修饰才表现出积极的缓蚀作用。通过电化学腐蚀测试、膜电动电势（ζ）测试及浸泡实验阐明了LDHs/ZnO（⊥）复合膜对腐蚀屏障优化作用主要源于膜阳离子选择特性及主动自修复。最后,初步评价了上述LDHs/ZnO和LDHs/ZnO（⊥）复合膜的抑菌性能,综合分析了抑菌功能及腐蚀降解调控的关联性,为兼具抑菌功能化的新型镁合金腐蚀防护膜层的设计及临床应用提供了依据。

关键词： 挤压态AZ80A镁合金   动态再结晶   微观组织   元胞自动机模拟   有限元模拟  

摘要： 随着能源危机问题的日益凸显,镁合金因其密度小、高比刚度、比强度、良好的减震性等优点在结构轻量化中得到广泛应用,对汽车制造、军工以及3C产品的轻量化至关重要。由于镁合金的密排六方结构,使得它在室温下的塑性变形能力受到严重影响,从而阻碍了其在工业领域的普及应用。而热塑性变形成为镁合金塑性成形的一种常用方法,它会导致镁合金的组织演变并使其塑性成形后综合性能良好,因此,研究镁合金在高温下的塑性变形行为对提高其性能更有意义。现阶段,在研究材料的过程中,计算机技术为模拟动态再结晶（DRX）行为提供了另外一种研究方法,元胞自动机法能够真实地反映晶界的迁移过程,可以用来预测不同材料在动态再结晶（DRX）行为中的微观组织演变。在Gleeble-3800热模拟机上对试样进行了等温压缩试验,获得不同温度（598K、623K、648K、673K、698K、723K）和不同应变速率(0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1)下的流变应力-应变曲线,建立了本构模型、动态再结晶模型以及晶粒尺寸模型,并获得元胞自动机所需要的模拟参数。以热激活能、元胞的迁移规则、曲率驱动原则和晶界能量耗散机制作为元胞自动机的转换规则,建立了挤压态AZ80A镁合金正常晶粒长大的元胞自动机模型,对挤压态AZ80A镁合金在温度为400℃条件下的晶粒进行了模拟,将结果与实验所得微观组织进行对比,两者晶粒尺寸的误差为0.6%,表明该模型可以对挤压态AZ80A镁合金初始晶粒的生成进行准确的预测。基于位错密度的再结晶形核与长大理论,建立了热变形过程中挤压态AZ80A镁合金动态再结晶的元胞自动机（CA）模型,研究了不同温度、应变和应变速率下晶粒的动态变化,以及不同参数对再结晶行为的影响。同时将元胞自动机（CA）模拟结果与实验结果进行了对比验证,误差不大于8%。为了更好的实现挤压态AZ80A镁合金在热变形过程中晶粒的拓扑变形和微观组织演变,实现对晶粒结构的拓扑演变,提出了一种引入晶粒拓扑变形技术的动态再结晶模型。通过追踪元胞的位错密度研究了热变形参数（变形温度、应变速率和应变量）和初始晶粒尺寸对DRX和晶粒尺寸的影响。结果表明:元胞自动机（CA）模拟结果与实验的最大误差为4.4%,最小误差为0.3%。最后,为了验证本文所建立挤压态AZ80A镁合金元胞自动机（CA）模型的应用的可靠性,将元胞自动机（CA）法与有限元结合,把DEFORM-3D模拟获得的热物理参数引入到元胞自动机模型中,对实际热压缩过程中的组织演变进行了模拟。动态再结晶过程中组织演变和再结晶体积分数的模拟结果与实验结果趋于一致,有较好的吻合性。

关键词： 柔性传感器   结构色薄膜   光子晶体   制备工艺   信号感知   生物相容性  

摘要： 结构色是一种众所周知的自然光学现象,它是由材料表面的周期性纳米结构与入射光线相互作用的结果。以这一现象为线索，我们利用响应性材料开发了柔性结构的水凝胶薄膜，由于其内部晶格会随着外部刺激而改变结构，加上其独特的光学特性，在应力传感器研究方面具有很大的潜力。柔性传感器是由具有高度弹性和可塑性的柔性材料制成的信号记录装置，使其能够监测来自不同结构形状的信号。然而，目前已知的大多数柔性传感器需要复杂的设备来读取和分析检测到的外部刺激的反馈信号，其应用方案和范围都非常有限。因此，柔性传感器的开发可以基于使用具有柔性结构的彩色薄膜,这样可以利用材料对刺激的光学反应能力，向柔性传感器提供容易被人眼检测和感知的输出信号。　　本论文致力于研究用于应力响应应用的柔性结构色薄膜，我们利用不同材料制备出了结构色可调的柔性薄膜，探究了其作为应力传感材料的可行性;同时,我们制备出了三维柔性反蛋白石结构光子晶体薄膜，探讨了其作为辅助指关节康复器械的可行性;最后，我们尝试制备出了具有应力-蠕动性能的间隔状结构色薄膜，分析了其作为模拟肠道蠕动传感器的可行性。本论文主要从材料制备、性能研究、理论分析和应用研究等方面展开，具体工作内容如下:　　（1）利用刮膜法和牺牲模板法制备出结构色可调的柔性薄膜，分别是结构色明亮且具有优异的温度响应性能的PNiPAAm三维反蛋白石结构光子晶体柔性薄膜和具有绚丽的结构色且具备良好的柔韧性的PU三维反蛋白石结构光子晶体柔性薄膜。　　（2）利用水平沉积技术制备出三维光子晶体结构，通过紫外光聚合的方法将胶体晶体结构和掺杂rGO的刺激响应性水凝胶结合，研制了一种具有双响应导电结构的三维反蛋白石结构光子晶体薄膜。研究中，我们检测了三维柔性反蛋白石结构光子晶体薄膜的应力传感性能，进而将其应用于辅助指关节康复器械。　　（3）利用胶体粒子自组装方法制备出结构色可调的三维光子晶体结构，通过热聚合的方法将光子晶体结构和掺杂rGO的刺激响应性水凝胶结合，在HF的腐蚀作用下得到具有应力-蠕动性能的间隔状结构色薄膜。通过测量不同结构薄膜的应力响应性能及其相对电阻值变化，实现了在应力下对肠道蠕动过程的模拟，并开发了该新型间隔状薄膜在具有实时信号感知和生物相容性的仿肠道蠕动领域的应用。

关键词： 挤压   轧制   混晶组织   析出相   基面织构  

摘要： 镁合金由于其高比强度、低密度和高阻尼性能而成为最有前途的轻质结构材料。然而,由于其密排六方结构,滑移系不足,其塑性较差;而且,由于基面滑移容易激活,其强度也较低。如何提高镁合金综合力学性能对于拓展镁合金的工程应用尤其是变形镁合金的实际应用具有十分重要的意义。为了研究与探讨高性能镁合金的制备技术与强韧化机理等问题,本文选取AZ80镁合金为研究对象,采用挤压工艺与轧制工艺制备高性能镁合金棒材和板材,研究微观组织对力学性能的影响规律,分析不同微观组织AZ80合金的强韧化机制。 主要研究工作如下: （1）本研究选择不同初始组织（铸造态和固溶态）AZ80镁合金,在低温（220℃）小挤压比（4）的挤压条件下进行挤压加工,制备出混晶组织镁合金棒材。微观组织分析结果表明:与铸造挤压样品相比,固溶挤压的AZ80样品包含了更高比例的动态再结晶（DRX）组织以及更高数密度、更细小的Mg17Al12相。 （2）低温挤压AZ80镁合金的组织和力学性能内在关联性的研究表明:固溶挤压样品较高的屈服强度和极限拉伸强度主要归因于高体积分数的超细动态再结晶晶粒和高数密度的Mg17Al12动态析出相。固溶挤压样品的屈服强度为286MPa,极限拉伸强度为332MPa,伸长率为5.1%;铸造挤压样品的屈服强度为221MPa,极限拉伸强度为318MPa,伸长率为6.0%。 （3）固溶态AZ80镁合金在240℃进行轧制,轧辊温度也设定为240℃,每道次压下量20-30%,随着轧制道次的增加,硬度值从79HV增加到100HV且组织明显细化。低温5道次轧制制备具有混晶组织的高强度AZ80镁合金,其屈服强度和极限拉伸强度分别为285MPa和383MPa,伸长率为6.1%。板材组织由混晶组织构成,其再结晶晶粒比例为73.5%,平均晶粒尺寸为1.0μm;变形晶粒的比例为26.5%,平均晶粒尺寸为2.4μm。板材的再结晶晶粒的细晶强化,变形晶粒的位错强化以及强（0001）基面织构,是板材具有高强度的主要原因。由于其强织构和粗晶中高密度的位错,导致塑性较差。

关键词： 静脉留置针   不良事件   风险控制   生物相容性  

摘要： 随着国民生活水平的提高、人口老龄化的加重、产业利好政策及新冠疫情的影响，中国医疗器械市场规模得到了快速发展。但像药品一样，任何医疗器械都具有一定的风险。近年来，随着医疗器械使用人群和使用量的增多，其风险也日益凸显。据国家药品监督管理局发布的《国家医疗器械不良事件监测年度报告》,医疗器械不良事件报告呈逐年递增趋势，同时，静脉留置针不良事件数量近年来也逐年递增，显示出静脉留置针上市后依旧具有较高的风险。静脉留置针在临床上应用范围广、使用量大，使用过程中任何外部条件的变化，都可能引起很大的风险，容易造成漏液、静脉炎、导管堵塞、导管打折扭曲、导管破损断裂等不良事件，给病人带来很大痛苦和伤害。因此，开展静脉留置针上市后安全性评价研究具有重要意义。本文拟对静脉留置针上市后风险进行系统梳理，获知其上市后的主要风险及发生原因，并根据研究结果提出一些风险控制建议，以保证患者和临床使用人员安全合理规范使用静脉留置针。　　本文首先通过文献计量学对我国静脉留置针不良事件文献进行了分析，发现静脉留置针不良事件研究存在的问题和主要风险。其次通过分析美国FDA(the US Food and Drug Administration)MAUDE(Manufacture and User Facility Device Experience)数据库2019年至2021年的静脉留置针不良事件报告，探究静脉留置针不良事件主要表现及原因。然后通过静脉留置针的说明书对比分析，找出说明书中存在的问题和风险，提出一些完善说明书的建议。在以上研究的基础上，本文对静脉留置针的常见不良事件漏液和输液部位反应的部分固有风险点和使用风险点设计了相应的实验来进行验证，分析不良事件发生的具体原因，并针对性的提出一些风险防控建议。　　文献计量学分析结果表明静脉留置针不良事件文献数量近年来整体呈增长趋势，相关的不良事件主要涉及:漏液、堵管、局部反应与过敏、静脉炎、外渗、感染等。但研究深度和创新性还有待加强，文献内容偏重于理论综述和问题分析,缺乏相应的实验研究和真实世界数据研究。其次发现美国FDA静脉留置针不良事件器械故障都主要表现为漏液、针头故障、导管问题等，且漏液占比最高，患者伤害主要表现为输液部位反应、血管损伤等。通过说明书对比分析，发现说明书在注意事项和警示方面需要进一步完善，特别要对产品是否耐高压、药物相容性信息和肝素帽穿刺次数等进行警示。　　在以上文献研究的基础上，本文选择了六家静脉留置针生产公司生产的不同材质的静脉留置针为研究对象，对静脉留置针的常见不良事件漏液和输液部位反应的部分固有风险点和使用风险点进行了实验验证。实验研究结果显示:①静脉留置针三通和正压接头开裂是内外应力和溶剂腐蚀共同作用的结果。普通Y型静脉留置针和正压型静脉留置针的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)和聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)三通材质在受强外力作用时，遇强碱溶液易发生应力开裂，而未受到强外力作用时，遇酸碱溶液均未发生开裂;②高压注射时，在端帽未旋紧的小扭矩情况下，普通型静脉留置针和耐高压CT专用型静脉留置针会有端帽弹出或端帽松动漏液的风险。端帽旋紧时，除了 CT专用型静脉留置针，其他静脉留置针均存在延长管破裂、隔离塞弹出或漏液等风险。但各企业静脉留置针对应的耐受压力有所不同这与静脉留置针组件的性质有关，如延长管的材质，隔离塞装配的紧密程度等;③各企业静脉留置针在标准规定的直径0.8mm注射针，穿刺次数不超过30次情况下，都能满足正常连接输液器情况下不漏液。但在高压情况下六个企业静脉留置针都有肝素帽漏液的风险，且多数企业随着注射针直径和穿刺次数的增加，漏液风险增加。各企业肝素帽漏液对应的压力有所区别，肝素帽表面SEM结果也存在不同，可能跟企业选择橡胶的牌号和加工工艺不同有关;④6个企业静脉留置针导管均无明显细胞毒性，具有较好的生物相容性。最后根据研究中发现的问题对生产企业、医疗机构、监管部门和科研机构提出了相应的风险控制参考意见和建议。