关键词： AZ31B镁合金   渗Zn   CeO2   箱式炉加热   扩渗温度和时间   扭转  

摘要： 镁合金,是一种轻合金,具有降噪减震、高比刚度、轻量化等优势,从航空航天到医疗应用,再到汽车制造等领域（各种机械和运输系统应用方面）,具备极为广泛的应用前景。但因镁合金熔点低、耐磨、耐腐蚀性能差,在诸多领域的应用受到了极大的限制。通常利用合金表面改性技术,如激光合金化、气相沉积、热喷涂等来提高镁合金的耐腐蚀性能。但其致密性和结合强度低,不能有效防止腐蚀。诸多研究表明,利用固态粉末包埋法在镁合金表面热扩散渗入金属元素,能够有效地阻挡镁合金被腐蚀。本文利用粉末包埋法于AZ31B镁合金表面以二氧化铈（CeO）作为促渗剂进行了热扩散渗锌（Zn）来制备涂层,以提高镁合金表面耐蚀性,主要内容如下:（1）利用三种不同Zn含量（40%、55%、70%）的渗剂,通过粉末包埋法在箱式炉中于400℃下加热4h进行热扩散渗Zn层制备。（2）采用含55%Zn渗剂在箱式炉中于不同温度（340、360、380、400℃）下保温4h在AZ31B镁合金表面制备渗Zn层。（3）将挤压态AZ31B镁合金棒扭转变形后,利用粉末包埋法通过箱式炉加热于380℃加热2,4h在其表面制备渗Zn层。通过以上研究,得出结论如下:1)利用不同Zn含量渗剂进行扩渗时,在CeO促渗作用下,随着Zn含量的增加,渗层组织越来越细,渗层厚度逐渐增加,从137.28μm增厚至778.14μm。渗层主要由片层状、块状及蜂窝状交织形成网络状,其成分主要由Mg Zn、MgZn和Mg Zn相组成。Zn含量达到70%时,渗层较厚,细化后的网络状组织中出现完整的黑色“花瓣状”,主要成分为α-Mg。2)在不同温度下制备渗Zn层。340℃时渗层较薄且不均匀,局部覆盖于AZ31B镁合金基体表面,渗层组织主要由α-Mg固溶体和Mg-Zn构成。随加热温度升高（360～380℃）,渗层逐渐增厚,组织均匀性和致密性增加,逐渐细化,从局部覆盖到全面覆盖。合金渗层呈现片状、块状和蜂窝状交织,主要由α-Mg固溶体和Mg-Zn化合物（如Mg Zn、MgZn、Mg Zn等）组成,渗层和基体之间有明显的分界线,以冶金方式紧密结合。400℃时,MgZn不稳定,部分分解。其渗层主要包括Mg Zn、少量MgZn、Mg Zn。3)未扭转渗Zn保温2h试样组织细小,以点状和块状组织为主,渗层主要成分为Mg Zn。扭转后扩渗的试样,保温2h,试样组织包括较多粗大的板条状,渗层成分主要是Mg Zn和MgZn。保温4h,扭转试样组织明显细化,以片层状和块状构成,渗层成分为Mg Zn+MgZn+Mg Zn。未扭转试样组织显著细化,以片层状和蜂窝状为主,渗层成分为Mg Zn+MgZn+Mg Zn。镁合金表面耐蚀性得以改善。

关键词： ZMX610合金   二次挤压   热处理   显微组织   力学性能  

摘要： 镁合金因为具有密度低、比强度和比刚度高等优点而被广泛应在汽车、电子等领域,但是其绝对强度低和室温塑性差等原因限制了其发展。为了进一步提高镁合金的强度,本文通过合金化的手段在ZMX610合金中单独以及复合添加Gd、Sn,研究了二次挤压对ZMX610-0.2Gd-3.0Sn、ZMX610-1.0Gd、ZMX610-3.0Sn合金棒材和板材显微组织与力学性能的影响,研究了热处理对二次挤压棒材显微组织和力学性能的影响,阐明了相关的组织演变和性能调控的机制。本文主要结论如下:铸态ZMX610-0.2Gd-3.0Sn,ZMX610-3.0Sn合金的物相主要为α-Mg、Mg7Zn3相、针状Ca Mg Sn相、α-Mn,微量Gd的添加没有改变ZMX610-3.0Sn的物相;ZMX610-1.0Gd合金主要由α-Mg、Ca2Mg6Zn3相、Mg3Zn6Gd相（准晶相I相）和α-Mn组成。铸态合金420℃/2 h均匀化处理后,Mg7Zn3相溶入基体中,Ca Mg Sn相和Ca2Mg6Zn3相、I相由于其热稳定性高而残留在基体上。ZMX610-0.2Gd-3.0Sn,ZMX610-1.0Gd和ZMX610-3.0Sn一次挤压（400℃,挤压比为19,挤压速度为1.0-2.0 m/min）后合金发生了未完全动态再结晶,合金中存在拉长的变形晶粒。二次挤压（400℃,挤压比为28,挤压速度为1.0-2.0 m/min）后合金发生完全动态再结晶,二次挤压细化了ZMX610-0.2Gd-3.0Sn,ZMX610-1.0Gd合金晶粒,ZMX610-3.0Sn合金晶粒长大。二次挤压后合金的性能有所提高,ZMX610-0.2Gd-3.0Sn,ZMX610-3.0Sn强度和所有合金的伸长率均增加,ZMX610-1.0Gd由于织构弱化而强度降低。二次挤压合金中ZMX610-0.2Gd-3.0Sn具有较优的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为230 MPa、320 MPa和10.6%。二次挤压合金直接时效处理后晶粒尺寸变化不大,所有合金均析出Mg-Zn相,由于沉淀强化所有合金的强度提高,除ZMX610-1.0Gd合金,其他合金伸长率降低。ZMX610-0.2Gd-3.0Sn在180℃时效6 h后强度升高塑性降低,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为299 MPa、383 MPa和5.73%。ZMX610-1.0Gd在180℃时效12 h获得较高的塑性,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为223 MPa、317 MPa和15.5%。固溶处理后二次挤压合金晶粒尺寸增大,合金中热稳定相仍残留在基体上。单级时效处理后,所有合金的强度高于直接时效处理合金,但是伸长率降低。ZMX610-0.2Gd-3.0Sn单级时效（420℃/2 h,180℃/6 h）后具有最佳的力学性能,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为325 MPa、421 MPa和3.65%。双级时效处理后,ZMX610-1.0Gd和ZMX610-3.0Sn强度继续增加,ZMX610-0.2Gd-3.0Sn由于第二相较为粗大导致其强度降低,所有合金的伸长率降至最低。ZMX610-3.0Sn双级时效（420℃/2 h,90℃/24 h+180℃/6 h）后具有最佳的力学性能,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为314 MPa、459 MPa和3.13%。ZMX610-0.2Gd-3.0Sn,ZMX610-1.0Gd,ZMX610-3.0Sn二次挤压（420℃,挤压比为51,挤压速度为1.0-2.0 m/min）为板材后平均晶粒尺寸均细化,物相组成与一次挤压合金一样。在ED方向上,二次挤压板材强度和伸长率较一次挤压合金均有提高,ZMX610-1.0Gd,ZMX610-3.0Sn合金的性能甚至与二次挤压棒材相当,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为266 MPa/229 MPa、348 MPa/345 MPa、13.9%/18.5%。由于强的基面织构和细小的晶粒尺寸导致合金杯突值（IE值）都较低,成形性较差,ZMX610-0.2Gd-3.0Sn,ZMX610-1.0Gd,ZMX610-3.0Sn合金的IE值分别为2.56 mm,2.27 mm,2.38 mm。

关键词： 镁合金   TC4颗粒   纳米粉体   微观组织   力学性能  

摘要： 镁基复合材料具有密度小,比强度高等优点,能够实现机械结构的轻量化,在汽车、航空航天等领域应用广泛。纳米TC4(Ti-6Al-4V)颗粒具有高强度、高硬度、韧性好等优点,作为镁基复合材料增强体具有很好的应用前景。 本文探究了纳米TC4在AZ31镁粉中的分散技术,筛选出了纳米TC4颗粒在AZ31镁粉颗粒表面分散均匀的最佳工艺参数,在室温下采用超声辅助搅拌的方法制备了纳米TC4颗粒分散均匀的TC4/AZ31复合粉末。采用放电等离子烧结,制备出了致密度大于99%的性能良好的TC4/AZ31复合材料。对烧结态TC4/AZ31复合材料的微观组织进行观察,随着纳米TC4含量的增加,烧结态复合材料的平均晶粒尺寸逐渐减小,由10.8μm减小到9.2μm。 对烧结态样品进行热挤压,制备出了挤压态TC4/AZ31复合材料。挤压态1wt.%TC4/AZ31复合材料的平均晶粒尺寸细化最为明显,与挤压态AZ31基体相比,平均晶粒尺寸从7.02μm减小到2.23μm。随着纳米TC4含量的增加,挤压态TC4/AZ31复合材料的硬度逐渐增大,挤压态1.5wt.%TC4/AZ31复合材料的硬度最高,为78HV,比挤压态AZ31基体的硬度提高了16.4%。挤压态TC4/AZ31复合材料的强度和塑性均得到提高。当纳米TC4含量为1wt.%时,挤压态TC4/AZ31复合材料的力学性能达到最佳,其屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为195MPa、306MPa和9.2%。复合材料的强化机制可以概括为细晶强化、热膨胀系数错配增强机制、Orowan强化机制以及载荷传递增强机制。

关键词： 连续-脉冲双激光热源   铆焊   镁合金   控形   温度场  

摘要： 现如今,伴随着人们环保意识的不断提高,轻量化材料成为了现代工业生产的重中之重。镁合金具有密度小、强度高、刚性好等优点,是广泛应用的理想轻量化材料之一。碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）也具有优异的强度,抗疲劳性和抗腐蚀性,同是重要的轻量化材料。由于两种材料之间存在巨大的物化参数差异,成为了两者连接的重要难题。因此,本文采用兼具能量密度高且稳定的连续-脉冲双激光组合的新型热源,并辅以旋转铆焊为工艺,实现两者之间的有效连接。然而,双激光热源存在焊接工艺参数匹配难,调控精度要求高等问题,通过实验调控参数难以高效的实现对熔池的精准控制。因此,本文将采用仿真模拟的研究手段,以镁合金与碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）为研究对象,运用连续-脉冲双激光热源铆焊技术,建立本文实验条件下的焊接温度场模型,并验证了模型的准确性。主要研究不同复合热源参数（连续激光功率、脉冲激光功率、焊接速度、脉宽）对焊接温度场的影响变化,进行参数优化。并探讨各参数对熔池形貌的影响规律,分析熔池成形效果。进一步研究复合热源参数对熔池形貌影响占比关系,确定影响熔池形貌的核心参数,建立本文实验条件下的熔池形貌数据库,提出控形方法,并进行分等级调控,实现对熔池熔深和熔宽的精准控型。结果显示,双激光复合热源铆焊技术实现了镁合金与碳纤维板材的稳固连接。基于COMSOL仿真软件建立的复合热源铆焊模型,由模拟得到的脉冲激光一个循环周期内焊接温度场的截面图与焊接全过程的三个阶段可知,连续-脉冲双激光复合热源铆焊熔池整体呈现上宽下窄的“圆锥钉”形貌,与实际实验熔池形貌基本一致,误差较小（熔深1.2%,熔宽1.1%）,验证了模拟结果的准确性。由复合热源参数对焊接温度场的影响分析可知,最佳的焊接工艺参数为:连续激光功率500 W,脉冲激光功率200 W,焊接速度850 mm·min,脉宽4.5 ms。由进一步研究复合热源参数对熔池形貌的影响规律可知,参数对熔深的影响占比关系为:连续激光功率是核心因素,脉冲激光功率是重要因素,而焊接速度、脉冲激光宽度是微小因素。对熔宽的影响占比关系为:连续激光功率是核心因素,脉冲激光宽度是重要因素,脉冲激光功率、焊接速度是微小因素。因此,控制熔池形貌的核心参数为:连续激光功率、脉冲激光功率、脉冲激光宽度、焊接速度。基于四个核心参数,建立了熔池形貌库,提出了熔池控形方法,并与实际实验熔池形貌进行对比,确定了控形方法的准确性,实现了对熔池形貌的精准控制。

关键词： 嵌段共聚物   水凝胶   胶束   药物递送体系   抗肿瘤药物   生物相容性  

摘要： 恶性肿瘤的发生和发展是多因素、多环节的复杂过程。它们最重要的特征是能够不受限制地生长、浸润和扩散到周围组织。恶性肿瘤的发病率和死亡率在世界范围内居高不下,并且正在显著上升,对人类健康构成不可忽视的威胁。尽管近年来恶性肿瘤的诊断和治疗取得了一些进展,但早期诊断和有效精准治疗以提高生存率仍然是世界公共卫生面临的重大挑战,是恶性肿瘤精准医疗和个体化治疗的关键。现有广泛应用的抗肿瘤药物大都通过全身用药,且存在大量疏水性药物,疏水性药物的低负载效率显著阻碍了其广泛的应用。因此急需一种具有长循环、缓释、实现疏水药物包载、提药物负载效率和能力、减少递送障碍等特点的载药体系。本课题构建了负载紫杉醇（PTX）的聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）-聚乙二醇（PEG）胶束复合羧甲基壳聚糖（CMCS）接枝聚乳酸（PLA）水凝胶的纳米复合水凝胶药物递送体系,并对其相关性能进行了研究。本课题首先构建了CMCS-PLA水凝胶载体。以水为引发剂,通过D,L-丙交酯开环聚合反应,合成了不同聚合度聚乳酸（PLA）。不同聚合度的PLA分别通过交联剂1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）与羧甲基壳聚糖（CMCS）进行接枝反应,得到CMCS-PLA水凝胶。通过核磁共振、傅立叶变换红外光谱、热重分析等对所得水凝胶进行表征。研究了四组水凝胶的溶胀和失重性能,该性能与水凝胶是否具有疏水嵌段以及疏水嵌段分子量密切相关。研究了四组水凝胶体系的药物释放行为,CMCS-PLA水凝胶相较于CMCS水凝胶具有更稳定更缓慢的释放效果。满足PTX应用的需求。为提高PTX在水溶液中的溶解度制备了PTMC-PEG两嵌段胶束。通过PEG末端羟基引发三亚甲基碳酸酯（TMC）开环聚合,制备了七种不同分子量的生物可降解的PTMC-PEG二嵌段共聚物。采有共溶剂蒸发法制备将PTMC-PEG二嵌段共聚物制备成胶束。通过核磁共振、凝胶渗透色谱和临界胶束浓度分析对所得共聚物胶束进行表征。通过透射电镜以及动态光散射法观察到胶束呈现粒径均匀的球形结构。研究了七种胶束体系的药物释放行为发现,在37℃在p H为7.4的磷酸盐缓冲盐溶液中进行体外药物释放,七种胶束体系都出现了药物突释现象,然后缓慢释放长达20天。而且药物的释放受疏水片段PTMC分子量影响较大。通过调节亲水组分PEG和疏水组分PTMC的分子量,可以实现调节胶束的药物释放速率。从血液相容性、细胞相容性和组织相容性三方面研究了CMCS-PLA水凝胶体系和PTMC-PEG胶束体系的生物相容性。两种体系均不会造成溶血,具有良好的抗凝血作用,和小鼠成纤维细胞（L929）和斑马鱼胚胎共培养期间均未出现毒性作用。综合结果表明,CMCS-PLA水凝胶体系和PTMC-PEG胶束显示了优异的生物相容性,满足最基本的生物医用材料应用要求。最后选取CMCS-PLA20水凝胶与PTMC2400-PEG2000胶束共同构建了负载PTX的纳米复合水凝胶药物递送体系。实现了抗肿瘤药物局部递送的要求。进行了体外药物释放的研究。与单一的水凝胶体系和胶束体系相比,纳米复合水凝胶药物递送体系解决了药物突释的问题。实现了疏水药物长期缓释,PTX缓慢释放长达25天。并在体外抗肿瘤实验中对肺癌人类肺泡基底上皮细胞和宫颈癌细胞显示出高效的抗肿瘤活性。综上所述,纳米复合水凝胶药物递送体系,作为载体用于局部药物递送,联合抗肿瘤药物用于实体瘤治疗或术后复发预防具有重要意义。

关键词： 镁合金   热变形行为   锻造成形   组织演变  

摘要： 镁合金由于具有低密度、高比强度等优良特性,被广泛应用于汽车、航空和航天等领域,但其室温下较差的成形性及力学性能限制了其在高性能领域的进一步应用。热锻工艺利用了镁合金在高温下可提高其成形性的特点,可以生产出尺寸和形状达到或接近成品的零件,同时可以提高镁合金的力学性能。然而,热锻工艺中镁合金存在流动性差、变形组织不均匀、可锻温度区间小和对应变速率敏感等特点,严重影响着复杂锻件的成形和力学性能的提高。为了解决这一问题,本文对AZ80和AZ80-Ce镁合金进行了单向压缩、等温模锻、挤压+锻造和锻前保温时间等研究,实现了高应变速率下镁合金锻造均匀变形及提高力学性能的目的,揭示了不同锻造工艺条件下镁合金组织的演变规律和机制。通过热模拟实验,研究了Ce元素的添加对AZ80镁合金真应力真应变曲线、本构方程、热加工图等的影响,揭示了镁合金AZ80及AZ80-Ce的热变形行为和组织演变机制;采用等温模锻工艺研究了模锻件不同部位应力应变状态、锻造温度和Ce元素的添加对锻件组织和力学性能的影响规律,阐明了应力应变状态对镁合金力学性能影响机制;对通过不同挤压工艺获得的具有不同晶粒尺寸和织构的AZ80-Ce镁合金进行自由锻实验,研究了不同初始组织状态对AZ80-Ce镁合金锻件微观组织和力学性能的影响规律,明确了预挤压处理可提高锻件的成形性,揭示了预挤压处理提高锻件力学性能的机制;最后通过比较不同保温时间对AZ80-Ce镁合金模锻件微观组织和力学性能的影响,研究了不同保温时间对坯料温度场的影响规律,构建了“锻前保温时间”数学模型,为改善镁合金锻造成形性及提高锻件综合力学性能奠定了理论基础。得到的主要结论如下:（1）Ce的添加在AZ80镁合金组织中形成了Al4Ce相,减少了α-Mg基体中Al原子浓度,降低了晶格畸变程度,使得AZ80镁合金的热变形激活能从136.068 k J/mol降低到127.096 k J/mol,热加工图的失稳区面积减小,从而提高热变形能力。另外,由于Al4Ce相的存在,阻碍了位错的运动,提高了AZ80镁合金动态再结晶发生的临界应力σc,促使镁合金通过粒子刺激形核（PSN）机制发生动态再结晶。（2）镁合金模锻成形过程中,在模锻件的低应力高应变部位,更倾向于通过发生连续动态再结晶而细化晶粒,有利于锻件屈服强度和抗压强度的提高;在高应力低应变部位,更倾向于通过孪生机制协调变形,有利于锻件延伸率的提高。降低模锻温度,可减小晶粒尺寸,提高屈服强度。Ce的添加可以减少β-Mg17Al12相的析出并在变形过程中阻碍位错运动促进均匀成形,从而提高了模锻件的综合力学性能。（3）初始组织状态对锻件组织具有遗传性:初始组织晶粒尺寸粗大,锻件组织的晶粒尺寸也粗大;初始挤压态的非纤维织构经过锻造后会向纤维织构演变,但总体保留着挤压态非纤维织构的特征。预挤压处理可以获得细小的初始晶粒尺寸,从而提高了锻件的成形性,同时也提高了镁合金锻件的屈服强度和抗压强度。（4）通过建立坯料的导热温度场模型:（?）,可以快速确定“锻前保温时间”。当保温时间较短时,锻件易形成亚晶粒组织,具有最高的屈服强度、抗拉强度,但其延伸率较低,在模锻后出现裂纹,且无法完全充型;在合适的保温时间下,坯料升温至锻造温度,锻造后晶粒细小,综合力学性能高,但随着保温时间的延长,样品的屈服强度、抗拉强度及延伸率逐渐降低。

摘要： Introduction: Magnesium, a biodegradable biomaterial, has the potential to be applied in dental implantology as a bone augmentation material. The electrochemical characterization of the surface allows us to trace the deterioration process in vivo. The difficulty is to estimate the deterioration rate from the measurement data in order to predict the component's "lifetime". The formation of local elements should be avoided, ideally evenly distributed, so that a degradation takes place from the outside to the inside. This should ensure that the degradation of the Mg structure takes place as far as possible at the rate at which the bone is newly formed. The aim of the work was to carry out a more detailed evaluation of the degradation behavior on different Mg samples by microscopic observation of the surface during the electrochemical measurement. Methods: Setting up an optical-electrochemical cell chamber with magnesium and magnesium alloys in electrochemical corrosion measurements. Observing and recording the surface degradation process under microscope. At 37°C, specimens were examined in several circulating electrolytes, including MEM, HBSS, and MEM+ (MEM supplemented with NaHCO3). CV was measured followed by cycle polarization, which was then repeated previous steps after 30mins. Thus, it is possible to observe and correlate surface processes such as hydrogen evolution and oxide deposition in real time with electrochemical data. The electrochemistry data, which included the OCP exchange current density(i0) and corrosion potential, were compared to the potential changes that occurred over time throughout these treatments. They were computed in this instance using RP obtained from linear polarization and an estimate of the Stern–Geary constant. Additionally, the linear polarization curve and EC exchange current corrosion value are used to determine how magnesium and magnesium alloys evolve throughout the corrosion process. Result: The corrosion behavior of pure Mg an

关键词： 静电纺丝   聚丙烯酸   生物矿化   生物相容性   骨组织工程支架  

摘要： 骨缺损是一种常见的外科疾病,主要由肿瘤、创伤和感染导致。由于骨缺损的治疗复杂性大、难度高,使其存在一定的风险和挑战。天然骨主要是由羟基磷灰石和胶原纤维周期性排列组成的有机无机复合材料。其中胶原纤维作为骨细胞外基质,为骨组织提供生长因子和营养物质以控制细胞增殖和分化。同时,胶原纤维的高比表面积结构可增强细胞粘附。骨组织工程支架作为一种骨再生的优化方案,可以在满足骨修复治疗所需的生物相容性和力学性能同时,克服了供体不足的问题。静电纺丝是一种常用的纤维制备技术。鉴于骨细胞外基质的纤维结构特点,将电纺纤维引入骨组织工程支架以调控细胞行为,为骨修复材料的仿生设计提供了思路。羟基磷灰石是人体骨组织中最主要的无机成分,也是一直以来仿生矿化的研究热点。通过引入可溶性聚电解质可以有效调控磷酸钙结晶的过程,保证羟基磷灰石在基板材料上的定向生长,这为仿生合成聚合物基有机无机复合骨修复材料提供了新思路。 在第三章中,配制不同壳聚糖/聚乙烯醇配比的纺丝溶液,制备了不同组分的壳聚糖/聚乙烯醇复合纤维支架,以此为基底,可溶性阴离子聚电解质聚丙烯酸作为添加剂,研究了聚丙烯酸存在的条件下纤维支架上碳酸钙的结晶。通过二氧化碳气体扩散法,在静电纺壳聚糖/聚乙烯醇复合纤维上制备形成了沿纤维生长的碳酸钙晶体。通过扫描电子显微镜和能谱仪进行矿化纤维的形貌和成分表征。结果表明,矿化后,由于壳聚糖和聚乙烯醇在水中的溶胀导致纤维膜不能保持原来的结构,但在部分保持结构的纤维表面观察到沉积物且沿纤维方向分布,经能量色散光谱仪分析可知沉积物为碳酸钙。通过傅里叶变换红外光谱分析、X射线衍射分析和拉曼光谱分析测试可以得出,所制备的碳酸钙涂层中包含方解石和球霞石两种晶型,且方解石的含量低。实验证明通过可溶性聚电解质聚丙烯酸参与的生物矿化方法,可以实现无机物沿电纺纤维方向的生长。 羟基磷灰石具有良好的生物相容性和优异的机械性能,是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机组成成分。在第四章中,我们选用疏水性强的生物高分子材料聚己内酯作为纺丝原料,增强静电纺纤维在结晶溶液中的结构稳定性。采用静电纺丝技术制备了聚己内酯纤维支架,探究了纺丝溶液浓度对纤维形貌的影响。之后,研究了在不同聚丙烯酸浓度条件下观察了矿化聚己内酯纤维的形貌。实验表明聚丙烯酸浓度为7.2×10-2wt%时,聚己内酯纤维支架得到充分的矿化,这一浓度为矿化溶液的适宜聚丙烯酸浓度。本章还研究了矿化时间对羟基磷灰石涂层的影响,通过扫描电镜观察和水接触角测试表明,随着时间的推移,纤维表面羟基磷灰石涂层覆盖面积增大,并且有效地改善了聚己内酯纤维的亲水性,有利于细胞的粘附增殖。本章最后探究了浸泡位置对羟基磷灰石涂层形貌的影响。以上实验表明,通过加入水溶性聚电解质聚丙烯酸可以实现静电纺聚己内酯纤维的体外仿生矿化,模拟细胞外基质的自然结构和成分,因此矿化聚己内酯纤维支架有望成为一种潜在的骨组织工程支架材料。通过力学拉伸测试实验可知,HAP/PCL纤维支架的杨氏模量和极限抗拉强度显著高于PCL纤维,表明HAP涂层可以有效增强纤维支架的力学性能。随后,利用扫描电镜和CCK-8方法评估了MC3T3-E1细胞在纤维支架表面的粘附增殖情况,使用碱性磷酸酶试剂盒测试了纤维支架表面细胞的分化程度。体外培养实验表明,静电纺羟基磷灰石/聚己内酯复合纤维支架具有良好的生物相容性、生物安全性和促成骨细胞分化性能,表明通过体外仿生矿化制备的静电纺羟基磷灰石/聚己内酯复合纤维支架能够模拟细胞外基质的自然结构和成分,在骨再生领域具有高效、安全的应用潜力。

关键词： AZ31镁合金   电弧增材制造   沉积轨迹   过程分析   组织特征  

摘要： 镁合金作为最轻质的结构材料,在航空航天、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景。基于低热输入冷金属过渡技术(Cold metal transfer,简称CMT)的电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,简称WAAM)是镁合金制造领域新的研究热点。本文在传统直线沉积轨迹的研究基础上,设计了具有相同沉积效率的三角、梯形、圆弧三种沉积轨迹,着重研究分析了三种沉积轨迹下镁合金CMT单道沉积焊缝和CMT-WAAM成形薄壁构件的组织结构特征。三种轨迹CMT单道沉积焊缝实验结果表明,沉积过程的能量输入和熔池形态呈现出特征各异的周期性变化规律,其焊缝成形特征与传统直线沉积轨迹明显不同、焊接组织晶粒取向交替性显著增强。三种沉积轨迹中,三角轨迹电弧能量由焊缝轴线向两侧发散,基板电弧集中热作用最弱、焊缝热影响区最小;梯形轨迹焊缝轴线区域热积累作用最强,焊缝熔深最大、焊缝晶粒最粗;圆弧轨迹沉积路径最长且熔池振荡剧烈,焊缝金属重熔比率最高,柱状晶抑制效果最强。采用三种新型沉积轨迹替代传统直线沉积轨迹进行镁合金电弧增材制造,有助于降低构件热积累效果并实现组织凝固特征调控。三种轨迹CMT-WAAM成形薄壁构件组织分析表明,构件内部组织由柱状晶区、等轴晶区和局部细晶区组成,不存在热影响区。三种构件存在不同程度组织不均匀性,晶粒形貌尺寸在轨迹不同位置及构件不同区域存在差异。与直线轨迹相比,三种新型轨迹对构件组织具有明显的晶粒细化效果,其中三角和梯形轨迹的晶粒尺寸均降低了40%以上。三种沉积轨迹中,圆弧轨迹对柱状晶的抑制作用最强,成形构件不同区域的柱状晶占比为31.1%～43.1%。三种轨迹由于沿焊缝轴线的持续偏移特征,打破了传统直线轨迹成形构件柱状晶沿焊缝叠加方向集中生长的方式,有助于改善直线轨迹成形构件显著的各向异性特征。沉积轨迹的改变可以有效改善镁合金CMT-WAAM成形构件的组织结构特征,对成形构件热影响区域的抑制、晶粒尺寸的细化、晶粒形貌及生长取向的控制等方面均具有良好的效果。基于沉积轨迹的优化,进一步深入开展镁合金CMT-WAAM工艺研究,有助于提升镁合金增材制造成形构件的质量。

关键词： 水平双辊铸轧   镁合金铸轧板带边裂   流场   凝固焊合线   直流电场  

摘要： 镁合金因其优异的特性被誉为“21世纪绿色工程结构材料”,广泛应用于航空航天、高端汽车及3C等领域。工业所用镁合金的主要形式是带材,而铸轧被认为是镁合金板带最理想的制备方式,该工艺具有流程短、效率高和成本低等优点。然而,由于铸轧过程中镁合金熔液冷却速率不均匀,板带极易出现偏析和边裂等缺陷,制约了镁合金铸轧板带的工业化进程。鉴于此,本文提出通过调控凝固焊合线特征改善镁合金铸轧板带边裂问题。根据铸轧机的实际工况,构建了多场耦合铸轧数值仿真模型进行仿真,探究了铸轧工艺参数和电场参数对流场及凝固焊合线特征的影响。主要研究内容如下:(1)铸轧工艺参数对流场和凝固焊合线特征的影响。铸轧区内以中性层为临界面存在上、下两个涡流,对金属液起到搅拌作用。铸轧区中部和边部具有较大的流速差,导致中部和边部存在温度差,凝固焊合线呈“舌”形,是铸轧板带发生边裂的主要原因。增大铸轧速度,边部涡流范围略有增大,但中部涡流几乎没有变化,凝固焊合线整体向出口靠近,特征凝固焊合点K和K〞在铸轧方向上的位置差L逐渐增大,合适的铸轧速度范围为3～4.2 m/min;增大浇铸温度,涡流范围略有增大,凝固焊合线整体向出口靠近,L先减小后增大,合适的浇铸温度范围为918～946 K;增大预留辊缝高度,涡流范围减小,凝固焊合线整体向出口靠近,L逐渐增大,合适的预留辊缝高度为3.8～5.3 mm。(2)不同电流加载方案电流密度对凝固焊合线特征的影响。在铸轧区内施加直流电场,涡流范围明显增大。增大电流密度,凝固焊合线整体向出口靠近。改变不同加载方案下的电流密度,凝固焊合线的位置和形状变化情况均有不同。对比分析三种电流加载方案(方案一:电源电极两端分别连接与上、下轧辊接触的电刷;方案二:电源电极一端插入熔池,一端压在成形板坯表面;方案三:电源两电极分别连接内嵌于侧封板中的铜板),方案三在较大的电流密度条件下,特征凝固焊合点K至出口的距离小于K〞至出口的距离,板坯边部所受铸轧力小于中部,有利于抑制镁合金铸轧板带边裂。(3)铸轧工艺参数(铸轧速度和换热系数)耦合电场对流场和凝固焊合线特征的影响。降低铸轧速度,涡流范围减小,凝固焊合线远离出口,特征凝固焊合点K至出口的距离始终小于K〞至出口的距离,两点在铸轧方向上的直线距离由5.3 mm增大到12.4mm;增大换热系数,涡流变化不明显,凝固焊合线远离出口,在5500～7500 W/(m·K)范围内,两点在铸轧方向上的直线距离由5.3 mm减小到0.7 mm。为解决合适的电流密度难以匹配凝固焊合线合适的位置和形状问题提供了参考。