关键词： 层合板   聚乙烯   镁合金   胶层分布   减振性能  

摘要： 相比单一均质材料,复合材料层合板具有比强度和比模量更高的优点,现已广泛应用到航空航天、军工等领域。复合材料层合板是一种组分堆叠形式的复合材料,其层间结合状态较大程度上影响着层合板的整体性能,而层合板胶层分布状态与层合板制备工艺密切相关,且当前对层合板胶层分布状态的评定缺乏准确的评价方法,导致层间结合状态的深入研究受到了限制。为保证复合材料层合板制品在应用时可实现良好的设计效果,对其材料性能的研究与验证是复合材料层合板得到更广泛应用的前提。本研究从减小设备振动对设备本身和产品质量带来的不利影响角度出发,设计并制备出镁合金AZ31B覆层和聚乙烯PE基体组成的AZ31B-PE层合板,并对制备工艺、动力学特性和减振效果分别进行了研究。主要研究内容包括以下三部分。1、提出“胶合—辊压成型—施压静置固化”(简称“胶—压—固三步法”)制备AZ31B-PE层合板;提出一种基于定点测量与图像处理的胶层分布质量评价方法,并通过此方法对胶层辊压效果进行评价;运用有限元仿真方法对层合板辊压工艺出现的组分分离情况进行研究,并得到不同基体厚度的AZ31B-PE层合板在不同辊缝下的辊压仿真实现对实验的扩展。2、采用有限元模态分析法和模态试验法分别获取悬臂条件下AZ31B-PE层合板前6阶固有频率与振型,对比了仿真与实验的结果,验证有限元建模的准确性,为AZ31B-PE层合板减振效果的研究提供参考。3、设计并搭建了一种冲击振动激励装置模拟卧式二辊轧机实验台准静态下的咬入冲击;制备一种用于减少咬入冲击振动的AZ31B-PE层合板垫片并进行了层合板对冲击振动的减振实验;通过实验结果分析各组分的减振效果和组分减振效果与层合板减振效果之间的关系,得到层合板的减振机理。研究结果表明,AZ31B-PE层合板制备中,经“胶—压—固三步法”工艺后得到的胶层薄且均匀,基体和覆层间的胶层分布面积相比辊压前有较大提升;在对层合板进行有限元模态分析时,对使用壳单元进行胶层建模的层合板有限元模型求得的固有频率更准确;AZ31B-PE层合板垫片的减振效果研究表明,基体材料对层合板减振效果的贡献最大,且AZ31B-PE层合板垫片具有将冲击振动的能量转化为机械能耗散的能力,极大提升了三明治式层合板的总体减振效果。

关键词： 镁合金   磷酸盐涂层   脂肪酸   超疏水   腐蚀速率  

摘要： 镁合金由于密度低、比强度高、减震效果好、尺寸稳定、铸造和加工性能优异等特性，可应用于汽车交通、3C（计算机类、通信类和消费类电子产品）和航空航天等领域。但是，较低的耐腐蚀性严重限制了它们在这些领域的应用。因此需要提高镁合金耐蚀性，以延长镁合金构件的服役时间。然而，在一些特定领域，需要加速结构用镁合金的腐蚀。因此，调控镁合金的腐蚀速率，可以从两方面充分地扩展其应用范围。　　基于MEDUSA模块软件，通过化学转化法制备了三种[Fe2+]的磷酸盐(Fe-P)涂层，实现了镁合金AZ31的加速腐蚀。另外，在镁合金AZ31表面制备了三种磷酸盐(Li-P、Zn-P和Ca-P)涂层，并电沉积一层具有微纳米结构的脂肪酸盐(月桂酸钙(CL)、肉豆蔻酸钙(CM)、硬脂酸钙(CS))涂层，对磷酸盐涂层进行超疏水改性，进一步提高了基体耐蚀性能。研究了三种长链脂肪酸及电压对电沉积涂层的耐蚀性和润湿性的影响规律，并对涂层的表面性能进行了理论分析。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)等设备对所得样品的形貌、成分和组成进行了分析。通过电化学极化和交流阻抗(EIS)、析氢和浸泡实验分析了涂层的耐蚀性和稳定性。通过三维形貌仪、接触角测量仪对涂层的表面粗糙度和润湿性进行了表征。此外，依据所得结果，阐释了涂层成膜机理及加速/抑制腐蚀的机理。　　本文的主要研究内容如下:　　(1)常温化学转化制备了一种提高镁合金腐蚀速率的Fe-P自催化涂层。利用MEDUSA模块软件绘制了亚铁离子的浓度[Fe2+]和pH的关系图，从中选取了三种浓度(0.10、3.34×10-2和8.43×10-3mol/L)的Fe2+。获得的涂层主要由Fe(3-n)(HnPO4)2、Mg(OH)2和Fe(OH)2/3构成。其中，涂层Ⅰ和涂层Ⅱ的腐蚀速率（icorr）是AZ31基体的18倍和7倍。表明，此涂层能够显著加速镁合金腐蚀。[Fe2+]越高，涂层与基体结合力越高，且加速基体腐蚀的效果越明显。涂层加速基体腐蚀的原理是:Fe与Mg基体间存在较大的电位差，能够加速镁合金的电偶腐蚀。较高的[Fe2+]和多孔的涂层结构，是涂层实现自催化腐蚀的必要条件。　　(2)通过水热法在镁合金表面构建了一种F-掺杂Li-P磷酸盐涂层。考察了F-加入量对涂层成膜及耐蚀性的影响。涂层的主要成分由LiPO4、LiOH、Mg3(PO4)2、MgF2、LiF和少量的Mg(OH)2构成。F-加入量过少会在表面形成颗粒状结构，破坏涂层的完整性;加入过量的F-会抑制成膜反应，进而导致涂层厚度及耐蚀性的下降。随着F-添加量的增加，耐蚀性下降。优选0.005mol/LF-添加量，获得耐蚀性、涂层完整性较好的涂层。　　(3)通过电沉积技术构建了三种Li-P/脂肪酸盐(CL、CM、CS)超疏水复合涂层。研究了成膜物质月桂酸、肉豆蔻酸、硬脂酸对于复合涂层疏水性的影响。涂层具有微纳米尺度玫瑰花状结构。Li-P、Li-P/CL、Li-P/CM和Li-P/CS的耐蚀性和润湿性依次增加。　　(4)电沉积构建了Zn-P/CM和Ca-P/CM超疏水复合涂层。考察了电压对涂层润湿性和耐蚀性能的影响。对于Zn-P/CM复合涂层，随着电压(15V、30V、60V、90V)升高，耐蚀性都得到了改善。对于Ca-P/CM复合涂层，随电压(40V、60V、80V、100V)增加，Ca-P/CM涂层的耐蚀性先升高后下降。其中，Ca-P/80V涂层的腐蚀电流密度最低，比AZ31镁合金低了3个数量级，耐蚀性最好。Zn-P/CM和Ca-P/CM复合涂层表面润湿性受电压影响较小。

关键词： 镁合金   转化膜   磷酸氢钙   羟基磷灰石   耐蚀性  

摘要： 由于镁合金的密度与天然骨接近,且有生物相容性好、容易降解、成本低等特点,近年来在植入医学领域备受青睐。但镁合金在人体内极易溶解,腐蚀速率过快,需8981对表面进行改性。通过调整镁合金表面的成分和结构可以控制其腐蚀速率,使镁合金更广泛地应用于骨植入。钙系磷酸盐膜拥有良好的生物相容性,多用于生物防护涂层。本论文采用化学沉积法、水热法、电化学沉积法,在AZ31镁合金表面制备了磷酸氢钙、羟基磷灰石和聚多巴胺-羟基磷灰石复合转化膜,并研究了转化膜的形貌、组成和耐蚀性。以化学沉积法在AZ31镁合金表面制备CaHPO4转化膜,研究CaHPO4膜在镁合金表面的生长过程和成膜机理,创新性地提出CaHPO4膜层生长初期同时伴随着Mg(OH)2的生长,得到的膜层由转化初期形成的含有少量Mg(OH)2的微球状结构和后期形成的片层状结构CaHPO4组成,形成的膜层致密性较好。在3.5%NaCl溶液中,膜层的腐蚀电位比基体正移0.2097 V,腐蚀电流密度降低了 2个数量级。经过人体仿生液浸泡7天后,膜层依然保持完整。以水热法制得的膜层由球块状羟基磷灰石构成,耐蚀性最强,在3.5%NaCl溶液中,膜层腐蚀电位比基体正移0.3269 V,腐蚀电流密度与基体相比也降低了 2个数量级。电化学沉积法制备羟基磷灰石的速度较快,电解液中加入H2O2会使膜层中含有球状结构,加入NaNO3会让膜层表面更平整。同时加入上述两种添加剂会大幅提升膜层的致密性和完整性,进而提升膜层的耐蚀性,可使试样腐蚀电位正移0.1643 V,腐蚀电流密度只有基体的1/50,并且在点滴实验中褪色时间接近50min。采用化学沉积法在AZ31镁合金表面制备了聚多巴胺膜层,形成的聚多巴胺膜层能均匀地覆盖镁合金基体。在聚多巴胺膜层上使用二次化学沉积法制备了聚多巴胺-羟基磷灰石复合膜层。最终制得的羟基磷灰石膜层可以显著提升镁合金的耐蚀性。在点滴实验中的褪色时间达到1h左右,并且在人体仿生液浸泡实验中表现出最优秀的防护能力和自愈合能力。

关键词： 季铵盐   生物玻璃   抗菌性能   细胞毒性   生物相容性  

摘要： 【背景】由于根管解剖系统及感染的复杂性,现代根管治疗很难完全清除根管内感染。根管充填是根管治疗的最后一步,根管封闭剂的抗菌潜能有望清除或抑制根管内残留细菌并防止根管再感染的发生。然而,当前临床常用根管封闭剂抗菌能力各异,且大多数封闭剂的抗菌作用随材料的固化逐渐减弱甚至完全消失。因此,提高根管封闭剂抗菌能力和/或延长其抗菌作用时间一直是牙髓病学研究的重点和热点。季铵盐是阳离子抗菌剂及表面活性剂,具有广谱抗菌能力,其抗菌机制主要为接触抑菌。生物玻璃(Bioactive glasses,BGs)有良好的生物相容性和诱导硬组织再生的作用,已在临床得到广泛应用。因此,本课题的主要目的是拟将生物玻璃与季铵盐通过共价结合以获取一种抗菌能力强、细胞毒性低的新抗菌材料,为研发新型抗菌封闭剂和提高根管治疗成功率提供新的思路和可能。第一部分季铵盐化生物玻璃(BGs-HA)的合成及表征【目的】本部分实验目的是合成季铵盐化生物玻璃(BGs-HA)并对其相关性能进行表征,为后续进一步实验提供基础。【方法】1.通过改变反应底物浓度,合成系列粒径可控的BGs。采用SEM、TEM观察BGs形貌特征。2.通过加成反应合成了系列不同氮-烷基链长度(N-ACL)的季铵盐,采用MIC、MBC、时间杀菌曲线及细胞毒性实验筛选抗菌作用较强同时细胞毒性低的季铵盐。3.采用共价结合方式将HAEMB接枝至BGs表面获得合成BGs-HA,通过SEM、TEM观察其形貌特征;通过离子释放实验、水溶性实验对其相关性能进行检测。【结果】1.成功合成了粒径分别为181±0.49nm、286±2.49nm及476±1.45nm的BGs,SEM和TEM下可见BGs为单分散球状结构,质地均匀。2.成功合成了系列不同N-ACL的季铵盐(PAEMB、NAEMB、HAEMB、OAEMB),进一步研究证实HAEMB(6.25μg/m L)杀菌能力较强、细胞毒性较小。3.获得了平均直径约为192nm的BGs-HA,离子释放实验证实其可以释放Si,Ca和P,水溶性实验提示其不溶于水、稳定性好。【结论】制备的BGs-HA大小稳定,形貌均一,能够释放Si,Ca和P,且具有不溶于水、稳定性好的特点。第二部分季铵盐化生物玻璃(BGs-HA)相关性能的检测【目的】探索BGs-HA抗菌性能以及生物学性能,为新型抗菌封闭剂的研发提供实验基础。【方法】1.为了检测BGs-HA的抗菌能力,选择临床常用三种类型根管封闭剂(氧化锌丁香油类:Endofill;环氧树脂类:AH Plus;硅酸钙类:iRoot SP)为对照组。分别应用菌落计数法、扫描电镜(SEM)及激光共聚焦显微镜(CLSM)等手段观察新鲜配制及固化不同时间样本对临床感染根管内常见致病菌(粪肠球菌、血链球菌、牙髓卟啉单胞菌)浮游态样本、体外爬片生物膜样本及体外离体牙生物膜样本的杀灭作用。2.为了明确BGs-HA的生物安全性,分别通过体外(CCK-8法)和体内(大鼠皮下植入模型)比较各封闭剂的浸提液对细胞增殖率的影响及封闭剂在体内对周围组织炎性反应,从而判断细胞毒性和生物相容性。【结果】1.各组材料对浮游态细菌抗菌作用中可以得出,BGs-HA组中活菌数目最少,与其余各组有统计学差异(P<0.05);通过CLSM观察体外爬片生物膜抗菌实验活死菌荧光强度,可以得出与对照组相比,BGs-HA中红色荧光比例最多,表明杀菌能力较好(P<0.05);离体牙生物膜抗菌实验使用CLSM可见BGs-HA组中牙本质小管内红色荧光比例较多,即死菌较多(P<0.05),同时SEM可见BGs-HA组中细菌表现不同程度皱缩、破裂。2.体外通过CCK-8法可以得出BGs-HA与iRoot SP浸提液对细胞增殖率的影响均最小,具有低细胞毒性;体内观察植入材料周围组织炎症反应可以得出BGs-HA与iRoot SP在7天、28天时炎症细胞数目与对照组无统计学差异(P>0.05),具有良好的生物相容性。【结论】***-HA在对浮游态细菌、细菌生物膜以及离体牙根管生物膜的抗菌实验中均表现出长效、稳定的抗菌作用。***-HA和iRoot SP对细胞增殖率的影响较低,HE染色可见材料周围组织炎性反应较弱,均表现出良好的生物安全性。综上所述,合成的新型材料BGs-HA具有长效、稳定的抗菌作用,同时生物安全性较好,为研发新型抗菌封闭剂提供基础。

关键词： AZ31镁合金   激光冲击   表面磷化   耐蚀性   腐蚀机理  

摘要： 作为典型的轻量化材料,镁合金在诸多应用领域都是理想的工业材料。但是,镁合金耐蚀性差是限制其作为结构材料规模化应用的关键障碍。激光冲击强化(Laser shockpeening,简称 LSP)和表面磷化(Surface phosphate conversion,简称SPC)是提高镁合金耐腐性能的两种有效的表面处理方法,随着工业化的进步,复杂极端的服役环境对结构材料提出了更高的要求,单一的表面处理技术逐渐难以满足防腐的需求。对此,本文采用激光冲击和表面磷化两种防腐工艺复合强化AZ31镁合金,通过表层形貌表征和腐蚀实验等综合评估复合防腐工艺的可行性和优越性。本文主要研究内容与成果如下:激光冲击与表面磷化复合强化的理论基础。基于镁合金表面的成膜机理,分析磷化膜(Phosphate conversion coating,简称PCC)质量的影响因素,结合激光冲击强化原理和材料超高应变率变形机制,研究激光冲击诱导微观结构及应力场的响应对调控成膜过程的作用机理;分析激光冲击与表面磷化复合强化对镁合金腐蚀的影响,揭示复合强化的协同防腐机制。激光冲击强化AZ31镁合金的表面形貌与微观组织。采用共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等设备研究激光冲击强化对镁合金表面形态、物相组成和微观组织的影响,实验结果表明:单点激光冲击能量越大,材料表面产生的应变越大。镁合金经过激光冲击强化后没有新的相产生,但是增大了表面的粗糙度,形成一定深度的残余压应力。大面积激光冲击能够诱导镁合金表层产生位错缠结和孪晶等晶格缺陷,实现表面晶粒细化。激光冲击预处理对镁合金表面磷化成膜机理和质量的影响。通过磷化膜的形貌观测和元素分析,以及划格实验等方式,系统研究了激光冲击预处理对磷化成膜过程、磷化膜厚度和结合强度的影响,实验结果表明:激光冲击预处理可以促进磷化物的沉积,抑制磷化物的溶解。制备时间为30min时,磷化物的沉积量最多,与未处理试样相比,激光冲击试样表面沉积的磷化膜缺陷更少,厚度更大,结合力更强。激光冲击和表面磷化复合强化镁合金的耐蚀性。通过电化学腐蚀和全浸泡腐蚀实验研究不同方式处理的镁合金在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性,结果表明:激光冲击强化形成塑性变形层为后续磷化反应提供了良好的表面特性,磷化反应在冲击试样表面形成质量更好的磷化膜。此外,位于磷化膜底部的形变层发生晶粒细化,并引入一定深度的残余压应力,当表面磷化膜被腐蚀脱落后,形变层能够持续为镁合金提供防腐保护。与单一防腐方式相比,复合强化工艺防护效果更明显,耐蚀性能进一步提高,能更好抵御腐蚀液对镁合金基体的腐蚀破坏作用。

关键词： 水凝胶   两性离子   抗冻   生物相容性   柔性应变传感器  

摘要： 具有高导电性和机械柔韧性的多功能水凝胶作为柔性应变传感器已广泛应用于人体健康监测、智能机器人、电子皮肤、人机交互、可穿戴设备等各个领域。然而,当温度降低到冰点以下,水的凝固导致水凝胶性能降低甚至失效,严重限制了其在低温环境下的应用。因此,制备在低温条件下具有高透明度、高生物相容性和高韧性的水凝胶传感器仍然是一个巨大的挑战。本研究将两性离子脯氨酸(ZP)引入结冷胶/聚丙烯酰胺(GG/PAAm)双网络(DN)水凝胶中,研制出一种完全基于两性离子的抗冻水凝胶。研究结果表明,两性离子双网络水凝胶Ca-GG/PAAm-ZP具有高达98.1%的透明度、超可拉伸性(25℃下应变高达1890%,-40℃可达到600%)以及良好的自恢复和抗疲劳性能。两性离子脯氨酸的存在赋予两性离子水凝胶Ca-GG/PAAm-ZP显著的抗冻性(-40℃以下),并且水凝胶在-40℃仍保持高透明度和韧性。此外,两性离子水凝胶Ca-GG/PAAm-ZP表现出良好的生物相容性和抗非特异性蛋白吸附性能。将两性离子水凝胶Ca-GG/PAAm-ZP设计为一种可穿戴式应变传感器以监测人体运动。结果表明,该两性离子水凝胶基应变传感器具有较高的应变敏感性(25 ℃,ε=250-500%,GF=4.68;-40 ℃,ε=0-100%,GF=1.71)和循环稳定性(25℃循环300次,-40℃循环100次),可实时准确地监测人体运动,包括大规模的人体运动,如手腕、肘部、膝关节的弯曲运动和细微的人体运动(皱眉、吞咽和说话)。该两性离子水凝胶基应变传感器作为可穿戴电子设备具有潜在的应用价值。总之,本工作为开发宽温度范围内适用的多功能抗冻水凝胶传感器奠定了基础。

关键词： 金属有机框架   表面生长   青蒿素及其衍生物   炎症因子  

摘要： 金属有机框架(MOFs)是以金属离子为连接点,有机配体为支撑形成的多孔材料,具有比表面积高,结构可调,易于修饰等特点,近年来在催化、气体吸附及生物医学研究领域受到了广泛的关注。铁基MOFs纳米颗粒由于不含重金属离子,具有相对较好的生物相容性,已有用作药物载体的相关报道。然而通过逐层生长方式(液相外延生长法)在材料表面制备铁基MOFs用于载药还未见报道。本文采用层层自组装的方法,在室温条件下制备表面生长的铁基金属有机框架FeBTC和负载青蒿素及其衍生物的FeBTC,对FeBTC和负载青蒿素及其衍生物的FeBTC进行了材料学及生物学功能的评价。首先通过定量分析筛选出了含有较多酚羟基的聚多巴胺涂层制备工艺,在富含酚羟基的表面,采用层层自组装方法制备了表面生长的铁基MOFs,并对铁基MOFs进行了XRD、XPS、SEM、水接触角测试等材料学表征,结果表明该铁基MOFs具有典型的FeBTC结构和特征,表面较为粗糙,具有超亲水性。通过在均苯三甲酸配体溶液中分别加入摩尔比为3:1、3:2和3:3青蒿素,在Ti表面制备了负载不同比例青蒿素的FeBTC。SEM表征结果显示青蒿素的加入对FeBTC在材料表面的成核生长有较大影响,由均匀分布的点状生长变为分散的团簇生长。通过原子吸收光谱检测浸泡不同时间后溶液中Fe的释放,结果显示青蒿素的加入使单位面积上Fe的释放量增加,表明其加速了FeBTC的降解。青蒿素的释放检测结果显示各组样品在1天内均存在明显的突释,随后即持续缓慢释放。内皮细胞与平滑肌细胞体外培养结果显示FeBTC和负载青蒿素的FeBTC表面均不利于细胞的粘附和生长,可能是由于其表面均超亲水的缘故。负载青蒿素的FeBTC能够显著降低了巨噬细胞分泌的炎症因子TNF-α,而抑炎因子IL-10的表达与对照样相比无显著性差异。采用与含青蒿素FeBTC类似的制备方法,在Ti表面分别制备了负载双氢青蒿素和青蒿琥酯的FeBTC。与巨噬细胞共同孵化后,含双氢青蒿素和青蒿琥酯的FeBTC均能显著抑制巨噬细胞分泌TNF-α,并且显著促进了IL-10的表达。通过模拟炎症环境进行内皮细胞体外培养,结果表明负载青蒿素及其衍生物的FeBTC通过抑制炎症因子TNF-α的产生,一定程度上减弱了材料表面对内皮细胞粘附、生长的抑制作用。综上,负载青蒿素和青蒿素衍生物的FeBTC均显示出了一定的抑制巨噬细胞炎症的功能,负载青蒿琥酯的样品能够显著促进抑炎因子IL-10的表达,显示出最优的抑炎功能。

关键词： 金属3D打印   浆料直写   气动喷射   孔隙   造孔剂   人工骨  

摘要： 人工骨植入人体来进行骨骼修复是目前临床医学的研究重点。在人工骨制备过程中,互联互通的孔隙与机械性能是两大关键特征。传统方法以及目前市场上主流的金属3D打印方法对金属材料的加工受到一定限制,无法加工特定形状的微小孔隙（小于200μm）。同时人工骨的机械性能与其内部孔隙关联度高,二者很难同时符合人体需求。为制备具有高精度微小孔隙结构的人工骨,制备结构、性能两者皆符合人体需求的人工骨,本文选用浆料直写3D打印技术,探究其浆料成型能力,制备高精度微小孔隙人工骨支架并探究其对于生物降解性能的影响;同时提出并证明利用金属造孔剂制造微观孔隙,独立于结构孔隙调节其机械特性的方法,制备结构、性能皆符合人体需求的人工骨支架。对于解决眼前优质人工骨短缺的问题,促进金属人工骨的临床应用,推动骨组织工程发展和进步具有帮助作用。本研究采用浆料直写3D打印技术,选择二氯甲烷、聚乳酸、45μm粒径的铁粉作为金属浆料的原材料,对金属粉末、浆料进行特征分析证明其加工可行性,通过球磨混合、气动挤出、烧结处理等过程制备出人工骨支架,对复杂结构进行打印证明其成型能力,该技术的原理及制造工艺可制备微小孔隙样件,为接下来的实验奠定基础。利用浆料直写的加工特性,制备高精度不同梯度孔隙大小的铁人工骨支架,分别在烧结前后测量其尺寸特征,拟合得出设计-打印、设计-烧结后成型样件的孔隙尺寸变化参数,并根据气压波动、喷嘴制造误差、浆料粘度性质波动、线条坍塌、溶剂挥发以及烧结收缩等因素分析其误差原因。测定不同孔隙大小的样件机械性能及生物降解性能,根据p H值、质量损失以及样件表面降解产物等分析不同孔隙大小对其影响变化,发现100μm样件不仅可以以高表面积比进行较高速率的降解反应,也可在降解过程中进行较高效率的体液物质交换。根据烧结期间各材料的变化过程,选择合适的造孔剂,制定不同配比的浆料并打印样件。通过对不同参数样件的烧结前后线条表面微观表征的观测、横切面观测、质量以及尺寸的测量、金属成分的对比,证明该方法可在线条内部制造微观孔隙。对制造出的不同结构孔隙率的样件进行机械性能测试,发现其可调节范围增大,有利于制造不同需求的孔隙率-机械性能人工骨。

关键词： 镁合金   微弧氧化   负载模型   过程控制   工艺设备一体化  

摘要： 微弧氧化技术是提高镁合金表面耐蚀性的方法之一,具有高效、环保和工序简单等优势,是当前国内外研究的热点。在这些研究工作中,对镁合金微弧氧化负载等效电路模型的研究,无论对于理解微弧氧化机理,在线监测膜层质量和性能,还是对于指导专用电源设备的研发,都具有非常重要的意义。国内外众多学者对微弧氧化负载模型进行了大量研究并取得了一些成果,这些成果均表明负载具有电容特性,但由于研究的对象和方法不尽相同,因此所得负载模型等效电路的结构不同且定量研究少。本文通过使用多种学科的理论分析方法和表征手段,建立了镁合金微弧氧化过程的负载模型,对其进行了定量研究并推导出模型的传递函数。通过比较模型中等效元件的变化与膜层结构、性能变化的对应性,总结出膜层生长过程和工艺条件变化对负载模型中等效元件的影响规律,并对传递函数进行了分析和仿真,依据研究结果提出了适用于工业生产的过程控制方案,最终通过工艺设备一体化技术的开发实现了微弧氧化技术的推广应用。首先,结合电弧影像与电压波形特点对微弧氧化过程进行了分段研究,建立了二阶非线性结构的负载模型等效电路并推导出其传递函数,进而依据电路原理确定了负载模型中各等效元件的计算方法,据此对不同电压、不同时间条件下的负载模型进行了定量计算。利用计算机软件对该负载模型及计算结果进行仿真验证。结果表明,该负载模型能够很好地等效表征镁合金微弧氧化的负载特性,各等效元件的变化规律与微弧氧化过程的反应特点、电解槽的组成结构均有很好的对应性,可用于微弧氧化过程的反应原理分析。其次,通过改变镁合金微弧氧化的处理的参数,即电压、时间、试样面积、阴阳极距离等工艺条件,设计试验研究了负载模型的适用性。结果表明,负载模型中等效元件的计算结果主要受到电压、时间、试样面积等因素影响,其变化规律与微弧氧化过程中电弧强度、膜层的厚度及致密度等因素的变化规律具有逐一对应性,故可利用等效元件的变化监测电弧强度、膜层的厚度及致密度。再次,对镁合金微弧氧化过程中易出现的持续电弧烧蚀现象进行了系统研究,详细探寻了烧蚀机制和破坏机理。结果表明,随着电压升高,单个脉冲输入的能量过大而冷却时间不足,且负载模型中等效电容储存电荷的释放,引起了局部持续电弧放电,破坏了膜层的结构和物相,致使工件报废。通过对电压、频率和占空比的合理配置可避免烧蚀现象的发生,同时也可通过观察负载模型中的等效元件变化实现在线监测。最后,设计研制了大功率、多功能镁合金微弧氧化电源,并通过开发自动控制系统实现了过程控制功能。结合企业相应工况,运用多种自动控制理论方法对负载模型的传递函数进行了分析。结果表明,负载模型中等效电容越大,越不适合用高频脉冲进行处理。据此提出了过程控制方案,即根据单次处理工件的表面积和电压的不同,实时调整电源输出方式和频率、占空比等参数,以期在保证膜层质量的前提下提高生产效率。通过试验制定的企业专用过程控制工艺方案,实现了镁合金微弧氧化的高效化、自动化、工艺设备一体化技术的推广应用。

关键词： 预孪晶   AZ31镁合金   微观组织   动态力学响应   变形机理   本构模型  

摘要： 镁合金具有密度低、比强度和比刚度高等优点而广泛应用于武器、航天航空以及交通运输等领域。镁合金零部件应用在这些领域不可避免的要承受中高温高速冲击载荷,而镁合金的低屈服强度限制了它的应用。研究发现,预孪晶可以提高镁合金强度。因此,研究预孪晶镁合金在中高温高速冲击载荷下的变形机理很有意义。本文通过预变形引入不同孪晶密度的AZ31镁合金,同时对比了不同孪晶密度的AZ31镁合金在中高温高速冲击载荷下的力学行为和组织演变,揭示了预孪晶镁合金在中高温高速冲击载荷下的变形机理,同时构建了预孪晶镁合金在中高温高速冲击载荷下的力学本构。论文得到的主要结论如下:（1）预孪晶可以显著增强AZ31镁合金高速冲击下的屈服强度。因为预孪晶后孪晶片层分割晶粒把母相晶粒分割成多个区域,并且孪晶界阻碍位错滑移可有效提高镁合金的屈服强度。（2）不同孪晶密度的AZ31镁合金在较低冲击温度下,变形后的组织以大量的交叉孪晶为主;随着冲击温度的升高,组织以孪晶和变形剪切带为主;在更高的温度下冲击,组织发生完全再结晶。孪晶密度和应变速率的增加都可降低出现动态再结晶的临界温度。（3）材料的动态力学响应与剪切带强化、孪晶强化和细晶强化之间的竞争有关,并取决于主要的组织结构。在较低温度下,孪晶强化和剪切带强化决定了材料的动态力学响应。在中等温度时,动态力学响应取决于孪晶强化和细晶强化。而在高温下,细晶粒强化是主要的强化机制,并且补偿了孪晶和剪切带的减少以及温度的升高所引起的软化。（4）在中高温高速冲击下,预孪晶有利于诱导拉伸/压缩孪晶、基面和非基面滑移;压缩/双孪晶、基面和非基面滑移容易在大部分晶粒中产生。中温高速冲击下,塑性变形是通过在不同变形阶段产生孪晶、位错滑移和变形剪切带协调实现的。高温高速冲击下,塑性变形通过在不同变形阶段产生孪晶、位错滑移、转变剪切带和再结晶实现的。（5）引入孪晶强化项修正Johnson-Cook本构模型,修正后的Johnson-Cook本构模型可以准确预测出孪晶对流变行为的影响,同时通过计算得到相关系数（R）为0.9744,平均相对误差（AARE）为4.51%,表明所修正的本构模型能够较好的描述预孪晶AZ31镁合金在高速冲击载荷下的高温流变行为。