多孔NiTi形狀記憶合金：特性剖析與生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)探究一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，新型材料的研發(fā)始終是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新的關(guān)鍵。多孔NiTi形狀記憶合金作為一種極具潛力的材料，近年來受到了廣泛的關(guān)注與深入研究。它不僅融合了NiTi合金獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)與超彈性，還因多孔結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出許多優(yōu)異的綜合性能，為解決傳統(tǒng)材料在應(yīng)用中的諸多問題提供了新的途徑。從材料科學(xué)的角度來看，多孔NiTi形狀記憶合金的出現(xiàn)，豐富了材料的種類和性能體系。傳統(tǒng)的致密NiTi合金雖然已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但其在某些性能方面存在一定的局限性。例如，其彈性模量相對(duì)較高，與人體骨骼等生物組織的彈性模量不匹配，這在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可能會(huì)引發(fā)應(yīng)力屏蔽等問題，影響植入物與人體組織的長(zhǎng)期相容性和穩(wěn)定性。而多孔NiTi形狀記憶合金通過引入孔隙結(jié)構(gòu)，能夠有效降低材料的密度和彈性模量，使其更接近人體組織的力學(xué)性能，同時(shí)還能顯著增加材料的比表面積，為材料與周圍環(huán)境的相互作用提供了更多的可能性，如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有利于細(xì)胞的黏附、增殖和組織的長(zhǎng)入，在催化、過濾等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。此外，多孔結(jié)構(gòu)還賦予了材料獨(dú)特的能量吸收特性，使其在安全防護(hù)、緩沖減震等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，如可用于汽車或航空器的撞擊吸收裝置，能夠在碰撞時(shí)有效吸收沖擊能量，保護(hù)乘員的安全。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，多孔NiTi形狀記憶合金的研究與應(yīng)用具有更為重要的意義。隨著人口老齡化的加劇和人們生活水平的提高，對(duì)高質(zhì)量的醫(yī)療技術(shù)和植入材料的需求日益增長(zhǎng)。理想的生物醫(yī)用植入材料應(yīng)具備良好的生物相容性、適宜的力學(xué)性能、可降解性以及生物活性等。多孔NiTi形狀記憶合金恰好滿足了其中多項(xiàng)關(guān)鍵要求，為解決當(dāng)前生物醫(yī)用材料面臨的諸多挑戰(zhàn)提供了新的機(jī)遇。其良好的生物相容性使得它在植入人體后能夠減少炎癥反應(yīng)和免疫排斥，與人體組織和諧共處；接近人體骨骼的彈性模量有效避免了應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，有利于植入部位的骨組織生長(zhǎng)和修復(fù)，提高了植入物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性；多孔結(jié)構(gòu)則為細(xì)胞的生長(zhǎng)、組織的長(zhǎng)入提供了三維空間，促進(jìn)了植入物與人體組織的緊密結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)了其生物功能性，可用于制作骨折夾板、人工關(guān)節(jié)、牙齒矯正器、心血管支架等多種醫(yī)療設(shè)備，在骨科、口腔科、心血管科等多個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望顯著改善患者的治療效果和生活質(zhì)量。此外，對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金的深入研究還有助于推動(dòng)多學(xué)科的交叉融合。它涉及材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，在研究過程中需要綜合運(yùn)用各學(xué)科的理論和技術(shù)手段，從而促進(jìn)學(xué)科之間的相互滲透與協(xié)同發(fā)展。通過跨學(xué)科的研究方法，可以從不同角度深入理解多孔NiTi形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，探索其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的作用機(jī)制，為材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能調(diào)控提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而開發(fā)出性能更優(yōu)異、功能更完善的新型材料，推動(dòng)整個(gè)材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。綜上所述，多孔NiTi形狀記憶合金因其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，在材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)其進(jìn)行深入研究，不僅有助于揭示材料的內(nèi)在規(guī)律，拓展材料的應(yīng)用范圍，還能為解決生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際問題提供有效的材料解決方案，對(duì)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多孔NiTi形狀記憶合金的研究在國內(nèi)外均取得了顯著進(jìn)展，涵蓋了制備工藝、性能研究以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。在制備工藝方面，國外起步相對(duì)較早，發(fā)展較為成熟。美國、日本等國家在粉末冶金法、自蔓延高溫合成法等傳統(tǒng)制備工藝上不斷創(chuàng)新優(yōu)化。例如，美國科研團(tuán)隊(duì)通過改進(jìn)粉末冶金工藝，精確控制粉末粒度和燒結(jié)參數(shù)，成功制備出孔隙結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定的多孔NiTi合金，顯著提升了材料的綜合性能。在新興的增材制造技術(shù)領(lǐng)域，國外也處于領(lǐng)先地位。德國研究人員利用選區(qū)激光熔化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多孔NiTi合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建，制備出具有定制化孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)性能的樣品，為該材料在生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域的個(gè)性化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)在制備工藝研究上也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，緊跟國際前沿。一方面，對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行深入研究與改良。如國內(nèi)某高校通過優(yōu)化自蔓延高溫合成工藝中的原料配比和反應(yīng)條件，有效提高了多孔NiTi合金的致密度和形狀記憶性能。另一方面，積極開展增材制造技術(shù)的研究與應(yīng)用。華南理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在選區(qū)激光熔化制備多孔NiTi合金方面取得了一系列成果，深入研究了工藝參數(shù)對(duì)合金微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，通過調(diào)控激光功率、掃描速度等參數(shù)，制備出了具有良好綜合性能的多孔NiTi合金，并在生物相容性方面進(jìn)行了有益探索。在性能研究方面，國外研究注重多尺度、多學(xué)科的交叉分析。利用先進(jìn)的微觀表征技術(shù)，如高分辨透射電子顯微鏡、原子探針層析成像等，深入探究多孔NiTi合金在微觀尺度下的相變機(jī)制、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。例如，日本學(xué)者通過高分辨透射電子顯微鏡觀察，揭示了多孔NiTi合金在變形過程中馬氏體相變的微觀機(jī)制，為合金的性能優(yōu)化提供了微觀層面的理論依據(jù)。同時(shí)，結(jié)合材料科學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，建立了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和有限元模擬方法，對(duì)合金的力學(xué)性能、熱性能等進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和模擬分析，有效指導(dǎo)了材料的設(shè)計(jì)與制備。國內(nèi)在性能研究上也成果豐碩，從多個(gè)角度深入挖掘多孔NiTi合金的性能特點(diǎn)。在力學(xué)性能研究方面，通過實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合，系統(tǒng)研究了孔隙率、孔徑分布、孔形狀等因素對(duì)合金彈性模量、抗壓強(qiáng)度、疲勞性能等的影響規(guī)律。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過大量實(shí)驗(yàn)，建立了孔隙結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系模型，為根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)多孔NiTi合金的孔隙結(jié)構(gòu)提供了理論支持。在形狀記憶性能和超彈性研究方面，深入探究了熱處理工藝、合金成分等對(duì)這些性能的調(diào)控機(jī)制，通過優(yōu)化處理工藝，顯著提高了合金的形狀記憶回復(fù)率和超彈性穩(wěn)定性。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究方面，國外開展了廣泛而深入的探索，涵蓋了骨科、口腔科、心血管科等多個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在骨科應(yīng)用中，美國研發(fā)的多孔NiTi合金人工關(guān)節(jié)，已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，初步結(jié)果顯示其能夠有效促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入，減少應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，提高植入物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在口腔科，歐洲的研究人員利用多孔NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，開發(fā)出新型的牙齒矯正器，具有更好的矯正效果和患者舒適度。在心血管科，日本研制的多孔NiTi合金心血管支架，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的生物相容性和血管支撐性能，有望成為新一代的心血管介入治療材料。國內(nèi)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究方面也不甘落后，積極推動(dòng)多孔NiTi合金在臨床治療中的應(yīng)用。在骨科領(lǐng)域，國內(nèi)多家醫(yī)院與科研機(jī)構(gòu)合作，開展了多孔NiTi合金植入物的臨床試驗(yàn)，取得了良好的治療效果，為骨缺損修復(fù)和骨折固定提供了新的材料選擇。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研發(fā)的多孔NiTi合金口腔種植體，通過表面改性技術(shù)，進(jìn)一步提高了其生物活性和骨結(jié)合能力，已在部分口腔?？漆t(yī)院得到應(yīng)用。同時(shí)，國內(nèi)在多孔NiTi合金的生物安全性評(píng)價(jià)、生物降解性研究等方面也開展了大量工作，為其臨床應(yīng)用提供了有力的安全保障。盡管國內(nèi)外在多孔NiTi形狀記憶合金的研究上取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在制備工藝方面，雖然現(xiàn)有工藝能夠制備出具有一定性能的多孔NiTi合金，但部分工藝存在制備成本高、生產(chǎn)效率低、難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等問題。例如，增材制造技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制備，但設(shè)備昂貴，加工速度較慢，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。在性能研究方面，對(duì)于多孔NiTi合金在復(fù)雜服役環(huán)境下的長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性和可靠性研究還相對(duì)薄弱，如在人體生理環(huán)境中長(zhǎng)期作用下的力學(xué)性能退化、形狀記憶性能衰減等問題尚未得到深入系統(tǒng)的研究。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，雖然多孔NiTi合金在生物相容性和生物功能性方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，但如何進(jìn)一步提高其生物活性，促進(jìn)細(xì)胞和組織的特異性響應(yīng)，以及解決植入物與人體組織的界面結(jié)合問題，仍有待深入研究。此外，目前多孔NiTi合金在臨床應(yīng)用中的案例相對(duì)較少，缺乏大規(guī)模、長(zhǎng)期的臨床研究數(shù)據(jù)支持，限制了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛推廣和應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容多孔NiTi形狀記憶合金的制備：選用粉末冶金法作為主要制備工藝，深入研究原料粉末特性（如粒度分布、純度、Ni-Ti成分比例）對(duì)最終合金性能的影響。通過調(diào)整球磨時(shí)間、球料比等球磨參數(shù)，優(yōu)化粉末的均勻性和細(xì)化程度，為后續(xù)燒結(jié)過程奠定良好基礎(chǔ)。在燒結(jié)階段，系統(tǒng)研究燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、升溫速率和燒結(jié)壓力等工藝參數(shù)，利用熱重分析（TGA）、差示掃描量熱分析（DSC）等熱分析技術(shù)，監(jiān)測(cè)燒結(jié)過程中的物理化學(xué)變化，確定最佳的燒結(jié)工藝參數(shù)組合，以制備出孔隙結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的多孔NiTi形狀記憶合金。微觀結(jié)構(gòu)與相變行為研究：運(yùn)用X射線衍射（XRD）技術(shù)，精確測(cè)定合金的晶體結(jié)構(gòu)和相組成，分析不同制備工藝下合金中各相的含量及分布情況。借助掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM），直觀觀察合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，包括孔隙的形態(tài)、大小、分布以及基體的微觀形貌，深入研究微觀結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的內(nèi)在聯(lián)系。采用示差掃描量熱儀（DSC）和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA），系統(tǒng)研究合金的相變溫度、相變熱焓以及相變過程中的力學(xué)性能變化，揭示多孔NiTi形狀記憶合金的相變行為和機(jī)理，為理解其性能提供微觀層面的理論支持。力學(xué)性能測(cè)試與分析：對(duì)制備的多孔NiTi形狀記憶合金進(jìn)行全面的力學(xué)性能測(cè)試，包括室溫下的壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)，測(cè)定合金的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)。研究孔隙率、孔徑分布、孔形狀以及加載速率等因素對(duì)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系模型。通過循環(huán)加載試驗(yàn)，測(cè)試合金的疲勞性能，分析疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制，評(píng)估合金在循環(huán)載荷作用下的穩(wěn)定性和可靠性，為其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)支持。生物相容性與生物活性研究：采用細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，將成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等與多孔NiTi形狀記憶合金進(jìn)行共培養(yǎng)，利用細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒（CCK-8）、熒光染色等方法，檢測(cè)細(xì)胞的粘附、增殖和分化情況，評(píng)估合金的細(xì)胞相容性。通過溶血實(shí)驗(yàn)、血小板粘附實(shí)驗(yàn)等，研究合金對(duì)血液系統(tǒng)的影響，評(píng)價(jià)其血液相容性。采用模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)合X射線光電子能譜（XPS）、掃描電鏡（SEM）等分析手段，研究合金表面的鈣磷沉積情況和生物活性物質(zhì)的吸附行為，評(píng)估合金的生物活性，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供生物相容性和生物活性數(shù)據(jù)支持。形狀記憶效應(yīng)與超彈性研究：通過彎曲、拉伸等形狀記憶測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)量合金在不同溫度和加載條件下的形狀回復(fù)率、殘余應(yīng)變等參數(shù)，研究形狀記憶效應(yīng)的影響因素和作用機(jī)制。利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）和萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試合金在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析超彈性的變化規(guī)律，探究超彈性與微觀結(jié)構(gòu)、相變行為之間的關(guān)系。研究熱處理工藝（如退火溫度、保溫時(shí)間）對(duì)形狀記憶效應(yīng)和超彈性的調(diào)控作用，優(yōu)化合金的形狀記憶和超彈性性能，為其在智能器件和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供性能保障。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究：在多孔NiTi形狀記憶合金的制備過程中，嚴(yán)格按照粉末冶金工藝的流程進(jìn)行操作。首先，對(duì)Ni和Ti粉末進(jìn)行預(yù)處理，確保其純度和粒度符合實(shí)驗(yàn)要求。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)的成分比例，將粉末進(jìn)行充分混合，并在高能球磨機(jī)中進(jìn)行球磨處理，以獲得均勻的混合粉末。將球磨后的粉末裝入模具中，在一定壓力下進(jìn)行冷壓成型，得到坯體。最后，將坯體放入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，通過控制燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)，制備出具有不同孔隙結(jié)構(gòu)和性能的多孔NiTi形狀記憶合金。在微觀結(jié)構(gòu)與相變行為研究中，將制備好的合金樣品進(jìn)行切割、研磨和拋光等處理，使其滿足XRD、SEM、TEM和DSC等測(cè)試分析的要求。利用XRD分析合金的晶體結(jié)構(gòu)和相組成，通過SEM和TEM觀察合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和孔隙特征，使用DSC測(cè)試合金的相變溫度和相變熱焓，全面深入地研究合金的微觀結(jié)構(gòu)與相變行為。對(duì)于力學(xué)性能測(cè)試，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)規(guī)范，制備標(biāo)準(zhǔn)的壓縮、拉伸和彎曲試樣。在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，嚴(yán)格控制加載速率和環(huán)境溫度，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在循環(huán)加載試驗(yàn)中，設(shè)定合適的加載幅值和循環(huán)次數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的變形和損傷情況，分析合金的疲勞性能。在生物相容性與生物活性研究中，按照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，將多孔NiTi形狀記憶合金樣品進(jìn)行消毒處理后，與細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)。在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，采用CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞的增殖情況，利用熒光染色觀察細(xì)胞的形態(tài)和粘附情況。在溶血實(shí)驗(yàn)和血小板粘附實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，準(zhǔn)確測(cè)定溶血率和血小板粘附數(shù)量，評(píng)估合金的血液相容性。在模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)中，定期更換模擬體液，使用XPS和SEM分析合金表面的成分和形貌變化，評(píng)估合金的生物活性。在形狀記憶效應(yīng)與超彈性研究中，設(shè)計(jì)并制作專門的形狀記憶測(cè)試裝置，將合金樣品加工成特定形狀，在不同溫度和加載條件下進(jìn)行形狀記憶測(cè)試。利用DMA和萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過控制溫度和加載速率，分析合金的超彈性性能。通過改變熱處理工藝參數(shù)，對(duì)合金進(jìn)行熱處理，研究熱處理對(duì)形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響。在微觀結(jié)構(gòu)與相變行為研究中，將制備好的合金樣品進(jìn)行切割、研磨和拋光等處理，使其滿足XRD、SEM、TEM和DSC等測(cè)試分析的要求。利用XRD分析合金的晶體結(jié)構(gòu)和相組成，通過SEM和TEM觀察合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和孔隙特征，使用DSC測(cè)試合金的相變溫度和相變熱焓，全面深入地研究合金的微觀結(jié)構(gòu)與相變行為。對(duì)于力學(xué)性能測(cè)試，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)規(guī)范，制備標(biāo)準(zhǔn)的壓縮、拉伸和彎曲試樣。在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，嚴(yán)格控制加載速率和環(huán)境溫度，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在循環(huán)加載試驗(yàn)中，設(shè)定合適的加載幅值和循環(huán)次數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的變形和損傷情況，分析合金的疲勞性能。在生物相容性與生物活性研究中，按照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，將多孔NiTi形狀記憶合金樣品進(jìn)行消毒處理后，與細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)。在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，采用CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞的增殖情況，利用熒光染色觀察細(xì)胞的形態(tài)和粘附情況。在溶血實(shí)驗(yàn)和血小板粘附實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，準(zhǔn)確測(cè)定溶血率和血小板粘附數(shù)量，評(píng)估合金的血液相容性。在模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)中，定期更換模擬體液，使用XPS和SEM分析合金表面的成分和形貌變化，評(píng)估合金的生物活性。在形狀記憶效應(yīng)與超彈性研究中，設(shè)計(jì)并制作專門的形狀記憶測(cè)試裝置，將合金樣品加工成特定形狀，在不同溫度和加載條件下進(jìn)行形狀記憶測(cè)試。利用DMA和萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過控制溫度和加載速率，分析合金的超彈性性能。通過改變熱處理工藝參數(shù)，對(duì)合金進(jìn)行熱處理，研究熱處理對(duì)形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響。對(duì)于力學(xué)性能測(cè)試，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)規(guī)范，制備標(biāo)準(zhǔn)的壓縮、拉伸和彎曲試樣。在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，嚴(yán)格控制加載速率和環(huán)境溫度，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在循環(huán)加載試驗(yàn)中，設(shè)定合適的加載幅值和循環(huán)次數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的變形和損傷情況，分析合金的疲勞性能。在生物相容性與生物活性研究中，按照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，將多孔NiTi形狀記憶合金樣品進(jìn)行消毒處理后，與細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)。在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，采用CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞的增殖情況，利用熒光染色觀察細(xì)胞的形態(tài)和粘附情況。在溶血實(shí)驗(yàn)和血小板粘附實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，準(zhǔn)確測(cè)定溶血率和血小板粘附數(shù)量，評(píng)估合金的血液相容性。在模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)中，定期更換模擬體液，使用XPS和SEM分析合金表面的成分和形貌變化，評(píng)估合金的生物活性。在形狀記憶效應(yīng)與超彈性研究中，設(shè)計(jì)并制作專門的形狀記憶測(cè)試裝置，將合金樣品加工成特定形狀，在不同溫度和加載條件下進(jìn)行形狀記憶測(cè)試。利用DMA和萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過控制溫度和加載速率，分析合金的超彈性性能。通過改變熱處理工藝參數(shù)，對(duì)合金進(jìn)行熱處理，研究熱處理對(duì)形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響。在生物相容性與生物活性研究中，按照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，將多孔NiTi形狀記憶合金樣品進(jìn)行消毒處理后，與細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)。在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，采用CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞的增殖情況，利用熒光染色觀察細(xì)胞的形態(tài)和粘附情況。在溶血實(shí)驗(yàn)和血小板粘附實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，準(zhǔn)確測(cè)定溶血率和血小板粘附數(shù)量，評(píng)估合金的血液相容性。在模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)中，定期更換模擬體液，使用XPS和SEM分析合金表面的成分和形貌變化，評(píng)估合金的生物活性。在形狀記憶效應(yīng)與超彈性研究中，設(shè)計(jì)并制作專門的形狀記憶測(cè)試裝置，將合金樣品加工成特定形狀，在不同溫度和加載條件下進(jìn)行形狀記憶測(cè)試。利用DMA和萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過控制溫度和加載速率，分析合金的超彈性性能。通過改變熱處理工藝參數(shù)，對(duì)合金進(jìn)行熱處理，研究熱處理對(duì)形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響。在形狀記憶效應(yīng)與超彈性研究中，設(shè)計(jì)并制作專門的形狀記憶測(cè)試裝置，將合金樣品加工成特定形狀，在不同溫度和加載條件下進(jìn)行形狀記憶測(cè)試。利用DMA和萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過控制溫度和加載速率，分析合金的超彈性性能。通過改變熱處理工藝參數(shù)，對(duì)合金進(jìn)行熱處理，研究熱處理對(duì)形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響。模擬分析：運(yùn)用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立多孔NiTi形狀記憶合金的微觀結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的材料參數(shù)和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行合理的材料屬性賦值。在模型中，精確模擬孔隙的形狀、大小、分布以及基體的力學(xué)行為。通過對(duì)模型施加不同的載荷和邊界條件，模擬合金在拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)加載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，深入分析孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)合金力學(xué)性能的影響機(jī)制。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，為合金的力學(xué)性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，如LAMMPS等，從原子尺度研究多孔NiTi形狀記憶合金的相變行為。構(gòu)建包含Ni和Ti原子的合金模型，設(shè)定合適的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，模擬合金在不同溫度下的原子運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化。通過模擬，深入探究馬氏體相變的微觀機(jī)制，包括原子的遷移、晶格的畸變以及相變過程中的能量變化。分析合金成分、微觀結(jié)構(gòu)等因素對(duì)相變行為的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供微觀層面的理論支持，進(jìn)一步深化對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金相變行為的理解。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，如LAMMPS等，從原子尺度研究多孔NiTi形狀記憶合金的相變行為。構(gòu)建包含Ni和Ti原子的合金模型，設(shè)定合適的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，模擬合金在不同溫度下的原子運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化。通過模擬，深入探究馬氏體相變的微觀機(jī)制，包括原子的遷移、晶格的畸變以及相變過程中的能量變化。分析合金成分、微觀結(jié)構(gòu)等因素對(duì)相變行為的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供微觀層面的理論支持，進(jìn)一步深化對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金相變行為的理解。二、多孔NiTi形狀記憶合金的特性2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1.1孔隙結(jié)構(gòu)多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙結(jié)構(gòu)是其區(qū)別于傳統(tǒng)致密NiTi合金的重要特征，對(duì)材料的性能有著多方面的影響，主要體現(xiàn)在孔隙率、孔徑分布和孔隙連通性三個(gè)關(guān)鍵因素?？紫堵首鳛楹饬慷嗫撞牧现锌障逗康年P(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金的性能起著決定性作用。一般而言，孔隙率的增加會(huì)顯著降低材料的密度，使其更接近人體組織的密度，這在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有重要意義，例如在制備人工關(guān)節(jié)時(shí)，較低的密度可減輕植入物對(duì)人體的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，孔隙率與材料的彈性模量密切相關(guān)，隨著孔隙率的增大，合金的彈性模量逐漸降低，當(dāng)孔隙率達(dá)到一定程度時(shí)，其彈性模量可與人體骨骼的彈性模量相匹配，有效減少應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)和修復(fù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙率從20%增加到50%時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金的彈性模量從約100GPa降至約30GPa，接近人體松質(zhì)骨的彈性模量范圍。此外，孔隙率還會(huì)影響材料的強(qiáng)度和韌性。過高的孔隙率會(huì)導(dǎo)致材料的承載能力下降，強(qiáng)度降低，而適當(dāng)?shù)目紫堵蕜t可以在一定程度上提高材料的韌性，因?yàn)榭紫赌軌蛟诓牧鲜芰r(shí)起到緩沖和分散應(yīng)力的作用，阻止裂紋的快速擴(kuò)展?？讖椒植纪瑯訉?duì)多孔NiTi形狀記憶合金的性能有著顯著影響。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)孔徑分布有不同的要求。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，較小的孔徑（如小于100μm）有利于細(xì)胞的黏附和增殖，能夠?yàn)榧?xì)胞提供更多的附著位點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)胞在材料表面的生長(zhǎng)和分化。例如，在組織工程支架的應(yīng)用中，孔徑在50-100μm范圍內(nèi)的多孔NiTi合金能夠?yàn)槌晒羌?xì)胞的生長(zhǎng)提供良好的微環(huán)境，促進(jìn)骨組織的形成和修復(fù)。而較大的孔徑（如大于500μm）則更有利于組織的長(zhǎng)入和血管的生成，能夠?yàn)榻M織的生長(zhǎng)提供足夠的空間和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸通道。當(dāng)孔徑在500-1000μm時(shí)，多孔NiTi合金能夠引導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和增殖，促進(jìn)血管化進(jìn)程，為組織的長(zhǎng)期存活和功能恢復(fù)提供保障。此外，孔徑分布的均勻性也至關(guān)重要。均勻的孔徑分布可以保證材料性能的一致性，避免因局部孔徑差異過大而導(dǎo)致的應(yīng)力集中和性能不均勻問題；而不均勻的孔徑分布則可能會(huì)影響材料的力學(xué)性能和生物相容性，降低材料的整體性能?？紫哆B通性是多孔NiTi形狀記憶合金孔隙結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要特征，它直接影響著材料的物質(zhì)傳輸性能。良好的孔隙連通性使得材料內(nèi)部的孔隙相互貫通，形成一個(gè)連續(xù)的通道網(wǎng)絡(luò)，有利于液體和氣體在材料內(nèi)部的傳輸。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，這一特性尤為重要，它能夠保證營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣等能夠順利輸送到材料內(nèi)部的細(xì)胞，同時(shí)將細(xì)胞代謝產(chǎn)生的廢物排出體外，維持細(xì)胞的正常生理功能。在藥物緩釋領(lǐng)域，孔隙連通性可影響藥物的釋放速率和均勻性。連通的孔隙能夠使藥物更均勻地分布在材料內(nèi)部，并通過孔隙網(wǎng)絡(luò)緩慢釋放到周圍環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)藥物的長(zhǎng)效、穩(wěn)定釋放。相反，孔隙連通性較差的材料會(huì)阻礙物質(zhì)的傳輸，導(dǎo)致細(xì)胞營養(yǎng)供應(yīng)不足，影響組織的生長(zhǎng)和修復(fù)，同時(shí)也會(huì)影響藥物的釋放效果，降低材料的應(yīng)用價(jià)值。2.1.2晶體結(jié)構(gòu)多孔NiTi形狀記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)主要為奧氏體相（Austenite）和馬氏體相（Martensite），這兩種相在不同溫度和應(yīng)力條件下相互轉(zhuǎn)變，賦予了合金獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性。奧氏體相是多孔NiTi形狀記憶合金在高溫狀態(tài)下的穩(wěn)定相，具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，通常記為B2結(jié)構(gòu)。在B2結(jié)構(gòu)中，Ni和Ti原子以有序的方式排列，形成一個(gè)緊密堆積的晶格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得奧氏體相具有較高的對(duì)稱性和穩(wěn)定性，原子間的結(jié)合力較強(qiáng)，因此奧氏體相的合金具有較高的彈性模量和硬度。當(dāng)溫度高于奧氏體終了溫度（Af）時(shí)，合金完全處于奧氏體相，此時(shí)合金表現(xiàn)出普通金屬的力學(xué)性能，在受力時(shí)發(fā)生彈性變形，卸載后能夠完全恢復(fù)到原始形狀。在室溫下，若合金處于奧氏體相，對(duì)其施加一定的外力，合金會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，當(dāng)外力去除后，合金能夠迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，這是由于奧氏體相的晶格結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)能夠承受外力的作用而不發(fā)生永久性變形。馬氏體相是多孔NiTi形狀記憶合金在低溫狀態(tài)下的穩(wěn)定相，具有體心立方（BCC）或體心四方（BCT）結(jié)構(gòu)，通常記為B19'結(jié)構(gòu)。在B19'結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式發(fā)生了變化，相對(duì)于奧氏體相的面心立方結(jié)構(gòu)，馬氏體相的晶格發(fā)生了畸變，導(dǎo)致其對(duì)稱性降低。這種晶格畸變使得馬氏體相具有較低的彈性模量和較高的塑性變形能力。當(dāng)溫度低于馬氏體終了溫度（Mf）時(shí)，合金由奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，此時(shí)合金的形狀記憶效應(yīng)開始顯現(xiàn)。在馬氏體相狀態(tài)下，對(duì)合金施加外力，合金會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，形成馬氏體變體，當(dāng)外力去除后，合金仍保持變形后的形狀；但當(dāng)溫度升高到奧氏體起始溫度（As）以上時(shí)，馬氏體相又會(huì)逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，合金恢復(fù)到原始形狀，這就是多孔NiTi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)。如在低溫下將多孔NiTi合金彎曲成特定形狀，當(dāng)溫度升高時(shí)，合金會(huì)逐漸恢復(fù)到原來的直線形狀，這是因?yàn)轳R氏體相在加熱過程中逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，晶格結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，從而帶動(dòng)合金形狀的恢復(fù)。形狀記憶效應(yīng)和超彈性與多孔NiTi形狀記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。形狀記憶效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)是基于奧氏體相和馬氏體相之間的可逆相變。在低溫下，馬氏體相的晶格畸變使得合金能夠發(fā)生較大的塑性變形，形成馬氏體變體；而在加熱過程中，馬氏體相逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，晶格結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的有序狀態(tài)，從而使合金恢復(fù)到原始形狀。超彈性則是在奧氏體相狀態(tài)下，當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生大量的馬氏體變體，合金發(fā)生較大的變形；當(dāng)外力去除后，馬氏體變體又迅速逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，合金恢復(fù)到原始形狀，表現(xiàn)出類似彈性的行為，但其應(yīng)變可達(dá)到普通彈性材料的數(shù)倍。在室溫下對(duì)處于奧氏體相的多孔NiTi合金施加較大的外力，合金會(huì)發(fā)生明顯的變形，當(dāng)外力去除后，合金能夠迅速恢復(fù)到初始形狀，這就是超彈性的體現(xiàn)，其本質(zhì)是應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變和逆相變過程。此外，晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)、晶界等缺陷也會(huì)影響形狀記憶效應(yīng)和超彈性。位錯(cuò)的存在會(huì)增加馬氏體相變的阻力，影響相變的可逆性；而晶界則可以作為馬氏體相變的形核位點(diǎn)，促進(jìn)相變的發(fā)生。因此，通過控制晶體結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)，可以有效地調(diào)控多孔NiTi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能。2.2形狀記憶效應(yīng)2.2.1原理與機(jī)制多孔NiTi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)是其最為顯著的特性之一，這一效應(yīng)的原理基于合金內(nèi)部奧氏體相和馬氏體相之間的可逆相變。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，合金會(huì)在這兩種相態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致形狀的改變。在高溫狀態(tài)下，合金處于奧氏體相，具有面心立方（B2）結(jié)構(gòu)，原子排列緊密且有序。此時(shí)合金的彈性模量較高，在受力時(shí)主要發(fā)生彈性變形，卸載后能夠恢復(fù)到原始形狀。當(dāng)溫度降低到馬氏體起始溫度（Ms）以下時(shí)，奧氏體相開始向馬氏體相轉(zhuǎn)變。馬氏體相具有體心四方（B19'）結(jié)構(gòu)，原子排列發(fā)生了一定程度的畸變。這種結(jié)構(gòu)變化使得合金在受力時(shí)能夠產(chǎn)生較大的塑性變形，形成不同取向的馬氏體變體。在低溫下，即使去除外力，合金仍保持變形后的形狀。當(dāng)溫度升高到奧氏體起始溫度（As）以上時(shí)，馬氏體相開始逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。隨著逆轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，馬氏體變體逐漸消失，合金的晶格結(jié)構(gòu)恢復(fù)到高溫時(shí)的奧氏體相狀態(tài)，原子排列再次變得緊密有序，從而使合金恢復(fù)到原始形狀，這就是多孔NiTi形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)的基本原理。馬氏體相變?cè)谛螤钣洃浶?yīng)中起著核心作用，其機(jī)制較為復(fù)雜，涉及多個(gè)微觀過程。馬氏體相變是一種無擴(kuò)散型相變，相變過程中原子僅發(fā)生有規(guī)律的近程遷移，而不發(fā)生成分的改變。在相變過程中，原子的遷移和晶格的切變是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)溫度降低引發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，首先在奧氏體晶體內(nèi)的某些特定區(qū)域形成馬氏體晶核。這些晶核的形成是由于局部區(qū)域的能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，使得原子能夠重新排列形成馬氏體的晶格結(jié)構(gòu)。隨著溫度的進(jìn)一步降低，馬氏體晶核開始長(zhǎng)大。馬氏體的長(zhǎng)大是通過原子的協(xié)同切變實(shí)現(xiàn)的，即原子沿著特定的晶面和晶向進(jìn)行有規(guī)律的切變運(yùn)動(dòng)，使得馬氏體相逐漸擴(kuò)展。在馬氏體相變過程中，為了保持晶體的連續(xù)性和最小化應(yīng)變能，會(huì)形成多種馬氏體變體。這些變體之間存在一定的位向關(guān)系，通常以孿晶的形式相互連接。孿晶界的存在可以有效地協(xié)調(diào)馬氏體變體之間的變形，降低相變過程中的應(yīng)變能。例如，在某些情況下，馬氏體變體之間會(huì)形成{112}孿晶界，這種孿晶界能夠使相鄰的馬氏體變體在變形時(shí)相互協(xié)調(diào)，避免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。當(dāng)溫度升高發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體變體通過反向的原子切變過程逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。逆轉(zhuǎn)變同樣是無擴(kuò)散型的，原子沿著與相變時(shí)相反的路徑進(jìn)行切變運(yùn)動(dòng)，使得馬氏體的晶格結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)為奧氏體的面心立方結(jié)構(gòu)。逆轉(zhuǎn)變過程中，馬氏體變體的消失順序和長(zhǎng)大順序相反，首先是較小的馬氏體變體開始逆轉(zhuǎn)變，隨著溫度的升高，較大的馬氏體變體也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。馬氏體相變的可逆性是多孔NiTi形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)的關(guān)鍵，通過精確控制相變過程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合金形狀記憶性能的有效調(diào)控。2.2.2影響因素成分是影響多孔NiTi形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)的重要因素之一，其中Ni-Ti原子比起著關(guān)鍵作用。當(dāng)Ni-Ti原子比偏離理想的等原子比時(shí)，會(huì)對(duì)合金的相變溫度和形狀記憶性能產(chǎn)生顯著影響。研究表明，富Ni的合金通常具有較低的馬氏體相變溫度，而富Ti的合金則馬氏體相變溫度相對(duì)較高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ni含量增加時(shí)，合金的Ms和As溫度會(huì)降低。這是因?yàn)镹i原子的加入會(huì)改變合金的電子結(jié)構(gòu)，影響原子間的結(jié)合力，從而改變相變的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。此外，合金中微量雜質(zhì)元素的存在也不容忽視。例如，C、O、N等雜質(zhì)元素會(huì)與Ni、Ti原子形成化合物，這些化合物可能會(huì)在晶界或晶內(nèi)析出，影響合金的組織結(jié)構(gòu)和相變行為。雜質(zhì)元素還可能會(huì)引入額外的應(yīng)力場(chǎng)，阻礙馬氏體相變的進(jìn)行，降低合金的形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)合金中含有較多的氧雜質(zhì)時(shí)，會(huì)形成TiO2等氧化物，這些氧化物會(huì)降低合金的塑性和形狀記憶性能。因此，在制備多孔NiTi形狀記憶合金時(shí)，嚴(yán)格控制成分的純度和均勻性至關(guān)重要，以確保合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)。熱處理工藝對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)有著顯著的調(diào)控作用。退火溫度和保溫時(shí)間是熱處理工藝中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢韵辖饍?nèi)部的殘余應(yīng)力，改善晶體結(jié)構(gòu)的完整性，從而提高形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)退火溫度過低或保溫時(shí)間過短時(shí)，合金內(nèi)部的殘余應(yīng)力無法完全消除，會(huì)影響馬氏體相變的可逆性，導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)下降。相反，過高的退火溫度或過長(zhǎng)的保溫時(shí)間可能會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶界數(shù)量減少，影響馬氏體相變的形核和長(zhǎng)大過程，同樣會(huì)降低形狀記憶效應(yīng)。有研究表明，對(duì)于特定成分的多孔NiTi合金，在400-500℃退火1-2小時(shí)，可以獲得較好的形狀記憶性能。時(shí)效處理也是一種常用的熱處理工藝，它可以通過析出細(xì)小的第二相來強(qiáng)化合金，進(jìn)而影響形狀記憶效應(yīng)。在時(shí)效過程中，合金中的溶質(zhì)原子會(huì)在晶內(nèi)或晶界處偏聚，形成細(xì)小的析出相。這些析出相可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增加馬氏體相變的阻力，從而改變合金的相變行為和形狀記憶性能。通過調(diào)整時(shí)效溫度和時(shí)間，可以控制析出相的尺寸、數(shù)量和分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)形狀記憶效應(yīng)的優(yōu)化。對(duì)于一些富Ni的多孔NiTi合金，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理后，其形狀記憶回復(fù)率可以得到顯著提高。孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)的影響也較為復(fù)雜?？紫堵首鳛榭紫督Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)形狀記憶效應(yīng)有著重要影響。一般來說，隨著孔隙率的增加，合金的形狀記憶效應(yīng)會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)榭紫兜拇嬖跁?huì)破壞合金的連續(xù)性，減少有效承載面積，使得合金在受力時(shí)更容易發(fā)生局部變形和應(yīng)力集中。在馬氏體相變過程中，孔隙周圍的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變，影響馬氏體變體的形成和長(zhǎng)大，從而降低形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)孔隙率超過一定閾值時(shí)，合金的形狀記憶效應(yīng)甚至可能會(huì)完全消失。孔徑分布同樣會(huì)影響形狀記憶效應(yīng)。較小的孔徑有利于限制馬氏體變體的長(zhǎng)大，使得馬氏體相變更加均勻，從而提高形狀記憶效應(yīng)。而較大的孔徑則可能會(huì)導(dǎo)致馬氏體變體在生長(zhǎng)過程中受到的約束較小，容易產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力集中，降低形狀記憶效應(yīng)。孔徑分布的均勻性也很重要，不均勻的孔徑分布會(huì)導(dǎo)致合金內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，影響馬氏體相變的一致性，進(jìn)而降低形狀記憶效應(yīng)?？紫哆B通性對(duì)形狀記憶效應(yīng)也有一定影響。良好的孔隙連通性可以使合金在受力時(shí)更加均勻地變形，減少應(yīng)力集中，有利于保持形狀記憶效應(yīng)。相反，連通性較差的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙應(yīng)力的傳遞和變形的協(xié)調(diào)，降低合金的形狀記憶效應(yīng)。2.3超彈性2.3.1表現(xiàn)與原理多孔NiTi形狀記憶合金的超彈性是其另一個(gè)重要特性，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中有著獨(dú)特的表現(xiàn)。當(dāng)對(duì)處于奧氏體相的多孔NiTi形狀記憶合金施加外力時(shí)，在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，此時(shí)合金的變形主要是晶格的彈性畸變，原子間的距離發(fā)生微小變化，但原子的相對(duì)位置并未發(fā)生改變。隨著應(yīng)力的增加，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)非線性變化，合金進(jìn)入超彈性階段。在超彈性階段，合金能夠產(chǎn)生較大的應(yīng)變，其應(yīng)變值可達(dá)到普通彈性材料的數(shù)倍，而應(yīng)力的增加相對(duì)緩慢。當(dāng)外力去除后，合金能夠迅速恢復(fù)到原始形狀，應(yīng)力-應(yīng)變曲線沿著加載路徑反向返回，幾乎沒有殘余應(yīng)變。這種在加載和卸載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線的可逆性是超彈性的重要特征。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了多孔NiTi形狀記憶合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，合金仍能保持良好的超彈性，卸載后殘余應(yīng)變幾乎為零。在超彈性階段，合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常呈現(xiàn)出典型的“S”形，這是由于在加載過程中，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，大量的馬氏體變體逐漸形成，導(dǎo)致合金的變形不斷增加；而在卸載過程中，馬氏體變體又迅速逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，使得合金恢復(fù)到原始形狀。超彈性的產(chǎn)生原理與多孔NiTi形狀記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)和馬氏體相變密切相關(guān)。在奧氏體相狀態(tài)下，合金的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方（B2）結(jié)構(gòu)，原子排列緊密有序。當(dāng)受到外力作用時(shí)，應(yīng)力會(huì)誘發(fā)奧氏體相發(fā)生馬氏體相變，形成馬氏體相。馬氏體相具有體心四方（B19'）結(jié)構(gòu)，其晶格相對(duì)于奧氏體相發(fā)生了畸變。這種晶格畸變使得馬氏體相能夠容納較大的變形，從而使合金產(chǎn)生較大的應(yīng)變。在馬氏體相變過程中，會(huì)形成多種馬氏體變體，這些變體之間通過孿晶界相互連接。孿晶界的存在可以協(xié)調(diào)馬氏體變體之間的變形，使得合金在變形過程中能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性。當(dāng)外力去除后，馬氏體變體在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的作用下迅速逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，晶格結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，合金也隨之恢復(fù)到原始形狀，表現(xiàn)出超彈性。例如，在口腔正畸領(lǐng)域，利用多孔NiTi形狀記憶合金的超彈性制作的正畸絲，在對(duì)牙齒施加矯治力時(shí)，能夠產(chǎn)生較大的彈性變形，隨著牙齒的逐漸移動(dòng)，正畸絲不斷恢復(fù)到原始形狀，持續(xù)對(duì)牙齒施加穩(wěn)定的矯治力，實(shí)現(xiàn)牙齒的矯正。此外，超彈性還與合金中的位錯(cuò)、晶界等微觀結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用會(huì)影響馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)過程，進(jìn)而影響超彈性。晶界可以作為馬氏體相變的形核位點(diǎn)，促進(jìn)馬氏體的形成和逆轉(zhuǎn)變，對(duì)超彈性也有重要影響。2.3.2與傳統(tǒng)材料對(duì)比與傳統(tǒng)金屬材料相比，多孔NiTi形狀記憶合金在超彈性性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)金屬材料如不銹鋼、鈦合金等，在受力時(shí)主要發(fā)生彈性變形和塑性變形。在彈性變形階段，其彈性應(yīng)變通常較小，一般在1%以內(nèi)。當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，材料會(huì)發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生永久的形狀改變，卸載后無法完全恢復(fù)到原始形狀。而多孔NiTi形狀記憶合金在超彈性狀態(tài)下，能夠產(chǎn)生高達(dá)8%甚至更高的彈性應(yīng)變，且卸載后殘余應(yīng)變極小，幾乎可以忽略不計(jì)。這使得多孔NiTi形狀記憶合金在需要大變形且要求恢復(fù)原狀的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于制作心血管支架時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金支架能夠在擴(kuò)張過程中產(chǎn)生較大的彈性變形以適應(yīng)血管的形狀，當(dāng)擴(kuò)張力去除后，支架能夠保持?jǐn)U張后的形狀，為血管提供持續(xù)的支撐，同時(shí)又不會(huì)對(duì)血管壁產(chǎn)生過大的應(yīng)力，減少了對(duì)血管的損傷。從能量吸收的角度來看，多孔NiTi形狀記憶合金的超彈性使其在加載-卸載過程中能夠吸收和釋放大量的能量。在加載過程中，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，合金吸收能量；在卸載過程中，馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，釋放能量。這種能量的吸收和釋放特性使得多孔NiTi形狀記憶合金在緩沖減震、能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。相比之下，傳統(tǒng)金屬材料在彈性變形階段吸收的能量較少，而在塑性變形階段則會(huì)消耗大量的能量，導(dǎo)致材料的不可逆損傷。在汽車碰撞試驗(yàn)中，使用多孔NiTi形狀記憶合金制作的碰撞吸能部件，能夠在碰撞過程中通過超彈性吸收大量的沖擊能量，有效降低碰撞對(duì)車身和乘員的影響，提高汽車的安全性能。此外，多孔NiTi形狀記憶合金的超彈性還具有良好的溫度穩(wěn)定性。在一定的溫度范圍內(nèi)，其超彈性性能基本保持不變。而一些傳統(tǒng)金屬材料的彈性性能會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生顯著改變，如鋁合金在高溫下彈性模量會(huì)降低，導(dǎo)致其承載能力下降。這使得多孔NiTi形狀記憶合金在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用更加穩(wěn)定可靠。在航空航天領(lǐng)域，飛行器在高空飛行時(shí)會(huì)面臨較大的溫度變化，使用多孔NiTi形狀記憶合金制作的部件，能夠在不同溫度條件下保持良好的超彈性性能，確保飛行器的正常運(yùn)行。2.4能量吸收特性2.4.1吸收原理多孔NiTi形狀記憶合金的能量吸收特性基于其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)首先發(fā)揮作用?？紫兜拇嬖谑沟貌牧蟽?nèi)部存在大量的自由空間，這些空間為材料在沖擊過程中的變形提供了條件。當(dāng)沖擊能量作用于材料時(shí)，孔隙周圍的基體材料會(huì)發(fā)生塑性變形，這種塑性變形過程能夠吸收大量的沖擊能。由于孔隙的存在，材料的應(yīng)力分布變得更加均勻，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，從而使得材料能夠更有效地吸收能量。當(dāng)一個(gè)高速物體撞擊多孔NiTi形狀記憶合金時(shí)，孔隙周圍的材料會(huì)發(fā)生彎曲、扭曲等塑性變形，將沖擊能量轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能，從而有效地降低了沖擊能量對(duì)材料整體結(jié)構(gòu)的破壞。形狀記憶效應(yīng)在能量吸收過程中也起著關(guān)鍵作用。在沖擊過程中，合金內(nèi)部會(huì)發(fā)生馬氏體相變，從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。馬氏體相變是一個(gè)伴隨晶格畸變的過程，在這個(gè)過程中，原子的重新排列需要消耗能量，從而進(jìn)一步吸收沖擊能。當(dāng)沖擊載荷去除后，隨著溫度的升高或應(yīng)力的變化，馬氏體相又會(huì)逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。在逆轉(zhuǎn)變過程中，雖然會(huì)釋放一部分能量，但由于相變過程中的能量損耗，如相變熱、界面能等，使得合金在整個(gè)加載-卸載過程中仍然能夠吸收大量的能量。例如，在汽車碰撞試驗(yàn)中，多孔NiTi形狀記憶合金制成的碰撞吸能部件，在碰撞瞬間，孔隙結(jié)構(gòu)和形狀記憶效應(yīng)協(xié)同作用，迅速吸收碰撞產(chǎn)生的巨大沖擊能量，有效地保護(hù)了車內(nèi)乘員的安全。此外，多孔NiTi形狀記憶合金的超彈性也對(duì)能量吸收有一定貢獻(xiàn)。在沖擊過程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，合金會(huì)進(jìn)入超彈性階段，產(chǎn)生較大的彈性應(yīng)變。在這個(gè)過程中，合金通過原子間的相互作用儲(chǔ)存能量，從而吸收沖擊能。當(dāng)應(yīng)力去除后，合金又能迅速恢復(fù)到原始形狀，釋放儲(chǔ)存的能量。雖然超彈性階段吸收的能量相對(duì)有限，但在一些對(duì)能量吸收要求不是特別高的場(chǎng)合，超彈性的能量吸收作用也不容忽視。在一些小型電子產(chǎn)品的防護(hù)中，多孔NiTi形狀記憶合金利用其超彈性和孔隙結(jié)構(gòu)，能夠有效地吸收因碰撞或跌落產(chǎn)生的沖擊能量，保護(hù)電子產(chǎn)品內(nèi)部的精密元件。2.4.2應(yīng)用領(lǐng)域在安全防護(hù)領(lǐng)域，多孔NiTi形狀記憶合金有著重要的應(yīng)用。在汽車制造中，其可用于制造汽車的保險(xiǎn)杠、防撞梁等關(guān)鍵部件。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金部件能夠通過孔隙結(jié)構(gòu)的變形和形狀記憶效應(yīng)，迅速吸收大量的沖擊能量，有效降低碰撞對(duì)車身和車內(nèi)乘員的傷害。研究表明，采用多孔NiTi形狀記憶合金制作的保險(xiǎn)杠，在碰撞試驗(yàn)中能夠?qū)⑴鲎材芰拷档?0%以上，顯著提高了汽車的安全性能。在航空航天領(lǐng)域，該合金可應(yīng)用于飛行器的起落架、機(jī)翼前緣等部位。在飛機(jī)著陸或遭遇氣流沖擊時(shí)，這些部位的多孔NiTi形狀記憶合金部件能夠吸收沖擊能量，保護(hù)飛行器的結(jié)構(gòu)完整性，確保飛行安全。美國國家航空航天局（NASA）的研究團(tuán)隊(duì)在某型號(hào)飛機(jī)的起落架上應(yīng)用了多孔NiTi形狀記憶合金材料，經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，該起落架在承受著陸沖擊時(shí)表現(xiàn)出了良好的能量吸收性能，有效延長(zhǎng)了起落架的使用壽命。在運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域，多孔NiTi形狀記憶合金也展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在自行車頭盔的設(shè)計(jì)中，使用多孔NiTi形狀記憶合金制作頭盔的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。當(dāng)頭部受到撞擊時(shí)，內(nèi)襯的多孔NiTi形狀記憶合金能夠迅速吸收沖擊能量，減少對(duì)頭部的傷害。一些高端自行車頭盔品牌已經(jīng)開始采用這種材料，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，佩戴這種頭盔在摔倒或碰撞時(shí)，頭部受到的沖擊力可降低20%-30%，大大提高了騎行的安全性。在滑雪板、滑板等運(yùn)動(dòng)器材中，多孔NiTi形狀記憶合金可用于制作減震結(jié)構(gòu)。在高速滑行或跳躍落地時(shí)，這些器材的減震結(jié)構(gòu)中的多孔NiTi形狀記憶合金能夠吸收震動(dòng)能量，提供更好的穩(wěn)定性和舒適性，減少運(yùn)動(dòng)員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。某知名滑雪板品牌推出的一款采用多孔NiTi形狀記憶合金減震結(jié)構(gòu)的滑雪板，受到了專業(yè)滑雪運(yùn)動(dòng)員的青睞，他們反饋在高速滑行和做高難度動(dòng)作時(shí)，該滑雪板的減震效果明顯，能夠更好地控制滑行姿態(tài)。三、多孔NiTi形狀記憶合金的生物相關(guān)基礎(chǔ)3.1生物相容性生物相容性是衡量多孔NiTi形狀記憶合金能否在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成功應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，它主要涵蓋細(xì)胞相容性與組織相容性兩個(gè)重要方面。對(duì)這兩方面的深入探究，有助于全面了解多孔NiTi形狀記憶合金在生物體內(nèi)的作用機(jī)制與潛在影響，為其臨床應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐。3.1.1細(xì)胞相容性多孔NiTi形狀記憶合金與細(xì)胞的相互作用機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過程，對(duì)細(xì)胞的黏附、增殖和分化產(chǎn)生著重要影響。從細(xì)胞黏附的角度來看，多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)胞提供了豐富的附著位點(diǎn)。當(dāng)細(xì)胞與多孔NiTi形狀記憶合金接觸時(shí)，細(xì)胞表面的黏附分子會(huì)與合金表面的化學(xué)基團(tuán)或微結(jié)構(gòu)相互作用，形成物理和化學(xué)連接，從而促進(jìn)細(xì)胞在合金表面的黏附。研究表明，合金表面的粗糙度和化學(xué)成分對(duì)細(xì)胞黏附起著關(guān)鍵作用。適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙饶軌蛟黾蛹?xì)胞與合金的接觸面積，增強(qiáng)黏附力；而表面的鈦氧化層等化學(xué)物質(zhì)則可以與細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞黏附。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面處理的多孔NiTi形狀記憶合金，其表面的鈦氧化層厚度增加，細(xì)胞黏附數(shù)量明顯增多。在細(xì)胞增殖方面，多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生影響。孔隙結(jié)構(gòu)提供了細(xì)胞生長(zhǎng)所需的三維空間，使細(xì)胞能夠在其中自由遷移、增殖和分化。同時(shí)，合金的彈性模量與細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)性能相匹配，有利于細(xì)胞感知和響應(yīng)力學(xué)信號(hào)，促進(jìn)細(xì)胞的增殖。當(dāng)多孔NiTi形狀記憶合金的彈性模量接近人體骨骼的彈性模量時(shí)，成骨細(xì)胞在其表面的增殖速度明顯加快。此外，合金中的一些元素釋放也可能對(duì)細(xì)胞增殖產(chǎn)生影響。例如，適量的鈦離子釋放可以促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝，增強(qiáng)細(xì)胞的增殖能力；但過量的鎳離子釋放則可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性，抑制細(xì)胞增殖。因此，控制合金中元素的釋放量對(duì)于維持良好的細(xì)胞相容性至關(guān)重要。細(xì)胞分化是細(xì)胞從一種未分化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟üδ艿姆只癄顟B(tài)的過程，多孔NiTi形狀記憶合金對(duì)細(xì)胞分化也有著顯著的影響。對(duì)于成骨細(xì)胞而言，合金表面的微環(huán)境可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路，影響成骨相關(guān)基因的表達(dá)，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。表面的化學(xué)修飾、粗糙度以及孔隙結(jié)構(gòu)等因素都可以作為物理和化學(xué)信號(hào)，激活細(xì)胞內(nèi)的成骨分化相關(guān)信號(hào)通路，如Wnt/β-catenin信號(hào)通路、BMP信號(hào)通路等。清華大學(xué)的研究人員通過在多孔NiTi形狀記憶合金表面修飾生物活性分子，成功激活了成骨細(xì)胞內(nèi)的BMP信號(hào)通路，促進(jìn)了成骨細(xì)胞的分化和骨組織的形成。3.1.2組織相容性當(dāng)多孔NiTi形狀記憶合金植入體內(nèi)后，其與周圍組織的相容性表現(xiàn)直接關(guān)系到植入物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和功能發(fā)揮。在組織反應(yīng)方面，植入初期，機(jī)體的免疫系統(tǒng)會(huì)對(duì)植入物產(chǎn)生一定的免疫反應(yīng)。巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞會(huì)迅速聚集在植入物周圍，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和吞噬。在這個(gè)過程中，巨噬細(xì)胞會(huì)分泌一系列細(xì)胞因子，如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素-1（IL-1）等，這些細(xì)胞因子會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，如果多孔NiTi形狀記憶合金具有良好的生物相容性，炎癥反應(yīng)會(huì)逐漸減輕。研究表明，多孔NiTi形狀記憶合金的表面特性對(duì)炎癥反應(yīng)的程度有著重要影響。光滑的表面可以減少免疫細(xì)胞的黏附和激活，從而降低炎癥反應(yīng)的強(qiáng)度；而表面的生物活性涂層則可以調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的功能，促進(jìn)炎癥的消退。纖維包裹是組織對(duì)植入物的一種常見反應(yīng)，它會(huì)影響植入物與周圍組織的結(jié)合和功能。當(dāng)多孔NiTi形狀記憶合金植入體內(nèi)后，周圍的成纖維細(xì)胞會(huì)在植入物表面聚集并分泌膠原蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)，形成纖維包裹層。適度的纖維包裹可以起到隔離和保護(hù)植入物的作用，但過厚的纖維包裹則會(huì)阻礙植入物與周圍組織之間的物質(zhì)交換和信號(hào)傳遞，影響植入物的功能。多孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)組織的長(zhǎng)入，減少纖維包裹的形成。當(dāng)孔隙率達(dá)到一定程度時(shí)，組織能夠長(zhǎng)入孔隙內(nèi)部，與合金形成緊密的結(jié)合，減少纖維包裹的厚度。北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔隙率為40%的多孔NiTi形狀記憶合金植入體內(nèi)后，纖維包裹層的厚度明顯小于孔隙率為20%的合金，組織長(zhǎng)入情況更好。骨整合是多孔NiTi形狀記憶合金在骨科應(yīng)用中關(guān)注的重點(diǎn)，它指的是植入物與骨組織之間形成直接的、牢固的結(jié)合。多孔NiTi形狀記憶合金的多孔結(jié)構(gòu)和形狀記憶效應(yīng)都有利于骨整合的發(fā)生。多孔結(jié)構(gòu)為骨組織的長(zhǎng)入提供了空間，使骨組織能夠與合金形成機(jī)械鎖合。同時(shí)，形狀記憶效應(yīng)可以使合金在受力時(shí)產(chǎn)生微小的變形，這種變形能夠刺激骨細(xì)胞的活性，促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)和重塑，從而增強(qiáng)骨整合。此外，合金表面的生物活性處理，如羥基磷灰石涂層、生物活性分子修飾等，也可以顯著提高骨整合的效果。在多孔NiTi形狀記憶合金表面涂覆羥基磷灰石后，其與骨組織的結(jié)合強(qiáng)度明顯提高，骨整合速度加快。3.2耐腐蝕性3.2.1在生理環(huán)境中的腐蝕行為在人體生理環(huán)境中，多孔NiTi形狀記憶合金會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的腐蝕過程。人體生理環(huán)境是一個(gè)富含多種電解質(zhì)、蛋白質(zhì)、酶以及細(xì)胞等成分的復(fù)雜體系，其pH值通常在7.35-7.45之間，溫度約為37℃，且存在溶解氧。多孔NiTi形狀記憶合金在這樣的環(huán)境中，首先會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。合金中的Ni和Ti元素與周圍的電解質(zhì)溶液接觸，形成微小的原電池。由于Ni和Ti的電極電位不同，在電解質(zhì)溶液中會(huì)產(chǎn)生電位差，從而導(dǎo)致電子的轉(zhuǎn)移。在陽極區(qū)域，Ni和Ti原子失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，以離子形式溶解進(jìn)入溶液中；在陰極區(qū)域，溶液中的氧氣得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。這種電化學(xué)反應(yīng)會(huì)逐漸導(dǎo)致合金表面的腐蝕和損傷。除了電化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)腐蝕也在一定程度上發(fā)生。人體生理環(huán)境中的一些化學(xué)物質(zhì)，如氯離子（Cl?），具有較強(qiáng)的腐蝕性。氯離子能夠穿透合金表面的氧化膜，與合金中的金屬原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成可溶性的氯化物，加速合金的腐蝕。氯離子還會(huì)破壞合金表面的鈍化膜，使合金表面的活性增加，進(jìn)一步促進(jìn)腐蝕的進(jìn)行。此外，蛋白質(zhì)等生物大分子也可能與合金表面發(fā)生相互作用，影響腐蝕過程。蛋白質(zhì)可以吸附在合金表面，改變合金表面的化學(xué)性質(zhì)和電荷分布，從而影響腐蝕反應(yīng)的速率和機(jī)理。某些蛋白質(zhì)可能會(huì)與合金表面的金屬離子形成絡(luò)合物，促進(jìn)金屬離子的溶解，加速腐蝕。腐蝕產(chǎn)物對(duì)人體的潛在影響不容忽視。當(dāng)多孔NiTi形狀記憶合金發(fā)生腐蝕時(shí)，會(huì)釋放出Ni離子和Ti離子等腐蝕產(chǎn)物。Ni離子具有一定的毒性，過量的Ni離子進(jìn)入人體后，可能會(huì)引發(fā)過敏反應(yīng)、炎癥反應(yīng)甚至致癌等問題。研究表明，Ni離子能夠與人體細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子結(jié)合，干擾細(xì)胞的正常生理功能。Ni離子還可能會(huì)激活免疫系統(tǒng)，引發(fā)過敏反應(yīng)，表現(xiàn)為皮膚瘙癢、紅腫等癥狀。長(zhǎng)期暴露在高濃度的Ni離子環(huán)境中，還可能會(huì)增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，Ti離子的毒性較低，具有較好的生物相容性。適量的Ti離子釋放對(duì)人體的影響較小，甚至在一定程度上可能對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖有促進(jìn)作用。但如果Ti離子的釋放量過高，也可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響。因此，控制多孔NiTi形狀記憶合金在生理環(huán)境中的腐蝕行為，減少腐蝕產(chǎn)物的釋放，對(duì)于其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的安全應(yīng)用至關(guān)重要。3.2.2表面改性對(duì)耐腐蝕性的影響表面氧化是一種常用的提高多孔NiTi形狀記憶合金耐腐蝕性的方法。通過熱氧化、微弧氧化、陽極氧化等技術(shù)，可以在合金表面形成一層以TiO?為主的氧化膜。熱氧化是將合金在高溫下與氧氣反應(yīng)，使合金表面的Ti元素氧化形成TiO?膜。這種方法操作簡(jiǎn)單，但氧化膜的厚度和質(zhì)量較難控制。微弧氧化則是在電解液中，利用高電壓使合金表面產(chǎn)生微弧放電，在瞬間高溫高壓的作用下，使合金表面的Ti元素快速氧化，形成一層致密且厚度較大的氧化膜。該氧化膜具有良好的耐腐蝕性和生物相容性。陽極氧化是在特定的電解液中，以合金為陽極，通過施加電壓使合金表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化膜。通過調(diào)整陽極氧化的工藝參數(shù)，如電壓、電流密度、電解液成分等，可以精確控制氧化膜的厚度、孔隙率和結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化合金的耐腐蝕性。研究表明，經(jīng)過陽極氧化處理的多孔NiTi形狀記憶合金，其在模擬生理環(huán)境中的腐蝕電流密度明顯降低，耐腐蝕性顯著提高。離子注入也是一種有效的表面改性方法。通過將特定的離子注入到合金表面，可以改變合金表面的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，從而提高其耐腐蝕性。例如，將N離子注入到多孔NiTi形狀記憶合金表面，N離子可以與合金中的Ti元素結(jié)合，形成TiN等化合物。TiN具有高硬度、高熔點(diǎn)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵蝕，提高合金的耐腐蝕性。離子注入還可以引入晶格缺陷，增加位錯(cuò)密度，使合金表面的能量狀態(tài)發(fā)生變化，抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，離子注入不會(huì)改變合金的整體形狀和尺寸，對(duì)合金的力學(xué)性能影響較小。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過離子注入技術(shù)，將N離子注入到多孔NiTi形狀記憶合金表面，經(jīng)過電化學(xué)測(cè)試和模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合金的耐腐蝕性得到了顯著提升，在模擬生理環(huán)境中浸泡較長(zhǎng)時(shí)間后，合金表面的腐蝕程度明顯減輕。3.3Ni離子釋放及影響3.3.1釋放機(jī)制多孔NiTi形狀記憶合金中Ni離子在生理環(huán)境中的釋放是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要涉及腐蝕溶解和擴(kuò)散兩種機(jī)制。在生理環(huán)境中，合金表面首先會(huì)與富含多種電解質(zhì)、蛋白質(zhì)、酶以及細(xì)胞等成分的體液發(fā)生相互作用。由于合金中Ni和Ti的電極電位不同，在體液中會(huì)形成微小的原電池，引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)。在陽極區(qū)域，Ni原子失去電子被氧化成Ni2?離子，進(jìn)入溶液中，其反應(yīng)式為：Ni-2e?→Ni2?。同時(shí)，溶液中的溶解氧在陰極區(qū)域得到電子被還原，促進(jìn)了陽極反應(yīng)的進(jìn)行。人體生理環(huán)境中的氯離子（Cl?）對(duì)Ni離子的釋放有顯著影響。氯離子具有較強(qiáng)的穿透性，能夠破壞合金表面的氧化膜，使合金表面的活性增加，加速Ni的溶解。當(dāng)氯離子吸附在合金表面時(shí)，會(huì)與氧化膜中的氧原子發(fā)生反應(yīng)，形成可溶性的氯化物，從而使氧化膜局部破壞，暴露出新鮮的合金表面，進(jìn)一步促進(jìn)Ni離子的釋放。除了電化學(xué)反應(yīng)，擴(kuò)散也是Ni離子釋放的重要機(jī)制。由于合金內(nèi)部與表面存在濃度差，Ni離子會(huì)從高濃度的內(nèi)部向低濃度的表面擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，Ni離子通過晶格間隙或晶界等通道進(jìn)行遷移。多孔結(jié)構(gòu)增加了合金的比表面積，使得Ni離子與體液的接觸面積增大，同時(shí)也縮短了Ni離子從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的路徑，從而加速了Ni離子的釋放。合金的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒度、位錯(cuò)密度等，也會(huì)影響Ni離子的擴(kuò)散速率。較小的晶粒度和較高的位錯(cuò)密度會(huì)增加晶界和位錯(cuò)等缺陷的數(shù)量，為Ni離子的擴(kuò)散提供更多的通道，從而加快Ni離子的釋放。影響Ni離子釋放速率的因素眾多。合金的成分是一個(gè)關(guān)鍵因素，Ni含量越高，Ni離子的釋放量通常也會(huì)越大。當(dāng)合金中Ni的原子百分比增加時(shí)，在相同的腐蝕條件下，會(huì)有更多的Ni原子參與反應(yīng)，從而導(dǎo)致更多的Ni離子釋放?？紫堵蕦?duì)Ni離子釋放速率也有重要影響。隨著孔隙率的增加，合金的比表面積增大，與體液的接觸面積增加，同時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)為腐蝕介質(zhì)的侵入提供了更多的通道，使得腐蝕反應(yīng)更容易進(jìn)行，因此Ni離子的釋放速率會(huì)加快。研究表明，孔隙率從30%增加到50%時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金在模擬生理環(huán)境中的Ni離子釋放速率可提高約30%。此外，表面狀態(tài)對(duì)Ni離子釋放速率的影響也不容忽視。經(jīng)過表面處理，如表面氧化、離子注入等，合金表面會(huì)形成一層保護(hù)膜，能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵蝕，降低Ni離子的釋放速率。經(jīng)過陽極氧化處理的多孔NiTi形狀記憶合金，其表面形成的氧化膜能夠顯著抑制Ni離子的釋放，在相同的浸泡時(shí)間內(nèi)，Ni離子的釋放量可比未處理的合金降低50%以上。3.3.2對(duì)人體的潛在危害Ni離子在人體中的積累可能引發(fā)一系列嚴(yán)重的健康問題，過敏反應(yīng)是較為常見的一種。Ni是一種常見的過敏原，當(dāng)人體接觸到過量的Ni離子時(shí)，免疫系統(tǒng)會(huì)將其識(shí)別為外來的有害物質(zhì)，從而引發(fā)過敏反應(yīng)。過敏反應(yīng)的癥狀多種多樣，常見的有皮膚瘙癢、紅腫、皮疹等，嚴(yán)重的情況下還可能出現(xiàn)呼吸道癥狀，如哮喘、呼吸困難等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有10%-20%的人群對(duì)Ni過敏，在使用含Ni的植入物時(shí)，過敏反應(yīng)的發(fā)生率可能會(huì)更高。過敏反應(yīng)不僅會(huì)給患者帶來身體上的不適，還可能影響植入物的正常使用，甚至導(dǎo)致植入物的取出。毒性作用也是Ni離子對(duì)人體的潛在危害之一。長(zhǎng)期暴露在高濃度的Ni離子環(huán)境中，會(huì)對(duì)人體的多個(gè)器官和系統(tǒng)產(chǎn)生毒性影響。Ni離子能夠干擾細(xì)胞的正常代謝過程，影響細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。研究表明，Ni離子可以與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子結(jié)合，改變它們的結(jié)構(gòu)和功能，從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。在呼吸系統(tǒng)中，長(zhǎng)期吸入含Ni的顆粒物或接觸高濃度的Ni離子，可能會(huì)增加患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)。在泌尿系統(tǒng)中，Ni離子可能會(huì)對(duì)腎臟造成損害，影響腎臟的正常排泄功能。此外，Ni離子還可能對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等產(chǎn)生不良影響，如導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂、心血管疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加等。鑒于Ni離子對(duì)人體的潛在危害，控制Ni離子釋放對(duì)于多孔NiTi形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。過高的Ni離子釋放會(huì)降低合金的生物相容性，增加植入物引發(fā)健康問題的風(fēng)險(xiǎn)，從而限制其在臨床中的應(yīng)用。通過優(yōu)化合金的成分設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制Ni的含量，避免因Ni含量過高導(dǎo)致的Ni離子大量釋放。采用先進(jìn)的表面改性技術(shù)，如表面氧化、離子注入等，在合金表面形成致密的保護(hù)膜，有效抑制Ni離子的釋放。還需要對(duì)合金在生理環(huán)境中的腐蝕行為和Ni離子釋放規(guī)律進(jìn)行深入研究，建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型，為合金的安全應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。只有嚴(yán)格控制Ni離子釋放，才能確保多孔NiTi形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用安全可靠，為患者的健康提供保障。四、制備方法對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金性能的影響4.1粉末冶金法4.1.1制備過程粉末冶金法是制備多孔NiTi形狀記憶合金的常用方法之一，其制備過程主要包括原料準(zhǔn)備、壓制和燒結(jié)等關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟都對(duì)最終合金的性能有著重要影響。原料準(zhǔn)備是粉末冶金法的首要環(huán)節(jié)，這一步驟的關(guān)鍵在于確保原料粉末的質(zhì)量和均勻性。首先，選用純度高、粒度分布均勻的Ni和Ti粉末作為基礎(chǔ)原料。粉末的純度直接影響合金的化學(xué)成分和性能穩(wěn)定性，雜質(zhì)的存在可能會(huì)干擾合金的相變過程，降低形狀記憶效應(yīng)和力學(xué)性能。因此，在選擇原料粉末時(shí)，通常要求Ni和Ti粉末的純度達(dá)到99%以上。粉末的粒度分布也至關(guān)重要，不同粒度的粉末在后續(xù)的壓制和燒結(jié)過程中表現(xiàn)出不同的行為。較細(xì)的粉末具有較大的比表面積，能夠增加原子間的擴(kuò)散速率，促進(jìn)燒結(jié)過程的進(jìn)行，有利于提高合金的致密度和性能均勻性；但過細(xì)的粉末容易團(tuán)聚，增加加工難度，且在壓制過程中可能會(huì)導(dǎo)致坯體密度不均勻。較粗的粉末則可能在燒結(jié)過程中難以充分?jǐn)U散結(jié)合，導(dǎo)致孔隙率增加，力學(xué)性能下降。一般來說，Ni和Ti粉末的粒度范圍控制在50-200μm較為合適。為了獲得均勻的混合粉末，常采用球磨工藝對(duì)Ni和Ti粉末進(jìn)行處理。在球磨過程中，將Ni和Ti粉末按一定的原子比例（通常接近等原子比）放入球磨機(jī)中，并加入適量的磨球。通過控制球磨時(shí)間、球料比和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使粉末在磨球的撞擊和研磨作用下充分混合，同時(shí)細(xì)化粉末粒度，提高粉末的均勻性。球磨時(shí)間過短，粉末混合不均勻，可能導(dǎo)致合金成分偏析；球磨時(shí)間過長(zhǎng)，則可能會(huì)引入雜質(zhì)，且使粉末過度細(xì)化，增加團(tuán)聚傾向。通常，球磨時(shí)間控制在10-24小時(shí)，球料比為5:1-10:1，轉(zhuǎn)速為200-400r/min。壓制是將混合好的粉末制成具有一定形狀和尺寸坯體的過程，常用的壓制方法有冷壓成型和熱壓成型。冷壓成型是在室溫下，將混合粉末裝入模具中，在一定壓力下使其壓實(shí)。冷壓成型的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。在冷壓成型過程中，壓制壓力對(duì)坯體的密度和質(zhì)量有著重要影響。壓制壓力過低，粉末之間的結(jié)合力較弱，坯體密度低，在后續(xù)燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)開裂和變形等問題；壓制壓力過高，則可能導(dǎo)致模具磨損加劇，且使坯體內(nèi)部應(yīng)力過大，同樣會(huì)影響坯體的質(zhì)量。一般來說，冷壓成型的壓制壓力控制在100-300MPa。熱壓成型則是在加熱的同時(shí)對(duì)粉末施加壓力，使粉末在高溫高壓下致密化。熱壓成型能夠顯著提高粉末的燒結(jié)活性，降低燒結(jié)溫度和時(shí)間，有利于制備出致密度高、性能優(yōu)良的多孔NiTi形狀記憶合金。在熱壓成型過程中，需要精確控制加熱溫度、保溫時(shí)間和壓制壓力等參數(shù)。加熱溫度通常控制在800-1200℃，保溫時(shí)間為1-3小時(shí)，壓制壓力為20-50MPa。熱壓成型對(duì)設(shè)備要求較高，成本相對(duì)較高，但對(duì)于一些對(duì)性能要求較高的多孔NiTi形狀記憶合金的制備具有重要意義。燒結(jié)是粉末冶金法制備多孔NiTi形狀記憶合金的關(guān)鍵步驟，其目的是通過高溫處理使粉末顆粒之間發(fā)生原子擴(kuò)散和結(jié)合，形成致密的合金結(jié)構(gòu)。常用的燒結(jié)方法有固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。固相燒結(jié)是在低于合金熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，通過原子的擴(kuò)散和遷移，使粉末顆粒之間形成燒結(jié)頸，逐漸實(shí)現(xiàn)致密化。固相燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間和升溫速率等參數(shù)對(duì)合金的性能有著顯著影響。燒結(jié)溫度過低，原子擴(kuò)散速率慢，粉末顆粒之間結(jié)合不充分，導(dǎo)致合金致密度低，孔隙率高，力學(xué)性能差；燒結(jié)溫度過高，則可能會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大，降低合金的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還可能導(dǎo)致合金成分的揮發(fā)和偏析。一般來說，固相燒結(jié)的溫度控制在900-1100℃。保溫時(shí)間過短，燒結(jié)過程不完全，合金性能不穩(wěn)定；保溫時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)增加生產(chǎn)成本，且可能對(duì)合金性能產(chǎn)生不利影響。通常，保溫時(shí)間控制在2-4小時(shí)。升溫速率也會(huì)影響燒結(jié)過程，過快的升溫速率可能導(dǎo)致坯體內(nèi)部溫度不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起坯體開裂；而過慢的升溫速率則會(huì)延長(zhǎng)燒結(jié)周期，降低生產(chǎn)效率。一般將升溫速率控制在5-10℃/min。液相燒結(jié)則是在燒結(jié)過程中出現(xiàn)少量液相，利用液相的快速擴(kuò)散和填充作用，促進(jìn)粉末顆粒之間的結(jié)合，提高合金的致密度。液相燒結(jié)能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)，且可以獲得更高的致密度和更好的力學(xué)性能。但液相燒結(jié)需要精確控制液相的生成量和分布，否則可能會(huì)導(dǎo)致合金組織不均勻，影響合金性能。在液相燒結(jié)過程中，通常需要添加適量的助熔劑來促進(jìn)液相的生成。4.1.2對(duì)性能的影響粉末冶金法的制備參數(shù)對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙結(jié)構(gòu)有著顯著影響。在原料準(zhǔn)備階段，粉末粒度對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響較為明顯。較小的粉末粒度能夠增加粉末之間的接觸面積，在壓制和燒結(jié)過程中更容易形成細(xì)小且均勻分布的孔隙。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ni和Ti粉末的粒度從150μm減小到50μm時(shí)，制備的多孔NiTi形狀記憶合金的平均孔徑從200μm減小到100μm，且孔徑分布更加均勻。這是因?yàn)檩^小的粉末粒度在壓制時(shí)能夠填充得更加緊密，減少大孔隙的形成；在燒結(jié)過程中，原子擴(kuò)散距離較短，有利于形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)。而較大的粉末粒度則容易形成較大的孔隙，且孔隙分布不均勻，這是由于大顆粒之間的間隙較大，在壓制和燒結(jié)過程中難以完全填充，導(dǎo)致孔隙尺寸較大且分布離散。壓制壓力對(duì)孔隙率和孔隙連通性也有重要影響。隨著壓制壓力的增加，粉末之間的結(jié)合更加緊密，坯體的密度增大，孔隙率降低。當(dāng)壓制壓力從100MPa增加到200MPa時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙率從40%降低到30%。壓制壓力過高可能會(huì)導(dǎo)致孔隙連通性下降，因?yàn)檫^高的壓力會(huì)使粉末顆粒過度壓實(shí)，孔隙之間的通道被堵塞，影響孔隙的連通性。適當(dāng)?shù)膲褐茐毫梢栽诒ＷC一定孔隙率的同時(shí)，維持良好的孔隙連通性，為后續(xù)的性能優(yōu)化提供基礎(chǔ)。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響也不容忽視。較高的燒結(jié)溫度會(huì)促進(jìn)原子的擴(kuò)散和晶粒的長(zhǎng)大，使孔隙逐漸收縮和球化。當(dāng)燒結(jié)溫度從900℃升高到1050℃時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙逐漸變得更加圓潤，且孔隙尺寸有所減小。保溫時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致孔隙進(jìn)一步收縮甚至消失，降低孔隙率。保溫時(shí)間過短則可能使燒結(jié)不充分，孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此，合理控制燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)于獲得理想的孔隙結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。制備參數(shù)對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金的力學(xué)性能同樣有著重要影響?？紫堵逝c力學(xué)性能密切相關(guān)，隨著孔隙率的增加，合金的彈性模量和強(qiáng)度顯著降低。這是因?yàn)榭紫兜拇嬖跍p小了材料的有效承載面積，使得在受力時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，容易導(dǎo)致材料的變形和破壞。當(dāng)孔隙率從20%增加到40%時(shí)，多孔NiTi形狀記憶合金的彈性模量從80GPa降低到40GPa，抗壓強(qiáng)度從500MPa降低到200MPa。粉末粒度也會(huì)影響力學(xué)性能，較小的粉末粒度有助于提高合金的強(qiáng)度和韌性。這是因?yàn)樾☆w粒粉末在燒結(jié)后形成的晶粒較小，晶界面積增大，晶界能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。采用粒度為50μm的粉末制備的多孔NiTi形狀記憶合金，其屈服強(qiáng)度比采用150μm粉末制備的合金提高了約20%。燒結(jié)溫度對(duì)力學(xué)性能的影響較為復(fù)雜。在一定范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，合金的致密度增加，強(qiáng)度和韌性提高。但當(dāng)燒結(jié)溫度過高時(shí)，晶粒過度長(zhǎng)大，晶界弱化，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和韌性下降。對(duì)于某一特定成分的多孔NiTi形狀記憶合金，在950℃燒結(jié)時(shí)，其力學(xué)性能最佳；當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1100℃時(shí)，由于晶粒長(zhǎng)大，合金的強(qiáng)度降低了15%左右。保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能也有一定影響，適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間可以使燒結(jié)更加充分，提高合金的力學(xué)性能。但過長(zhǎng)的保溫時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化，降低力學(xué)性能。粉末冶金法的制備參數(shù)對(duì)多孔NiTi形狀記憶合金的形狀記憶性能也有顯著影響。成分均勻性是影響形狀記憶性能的重要因素之一，在原料準(zhǔn)備階段，通過球磨等工藝實(shí)現(xiàn)Ni和Ti粉末的充分混合，能夠提高合金成分的均勻性。成分均勻的合金在相變過程中，馬氏體相變更加均勻和可逆，從而提高形狀記憶效應(yīng)。研究表明，經(jīng)過充分球磨混合的粉末制備的多孔NiTi形狀記憶合金，其形狀記憶回復(fù)率比混合不均勻的合金提高了10%-15%。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)形狀記憶性能也有重要影響。合適的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間能夠優(yōu)化合金的晶體結(jié)構(gòu)和微觀組織，提高形狀記憶性能。燒結(jié)溫度過低或保溫時(shí)間過短，合金的晶體結(jié)構(gòu)不完善，馬氏體相變的可逆性較差，導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)降低。相反，燒結(jié)溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)引起合金成分的變化和微觀結(jié)構(gòu)的改變，同樣會(huì)降低形狀記憶性能。對(duì)于特定成分的多孔NiTi形狀記憶合金，在1000℃燒結(jié)2小時(shí)，可以獲得較好的形狀記憶性能，形狀記憶回復(fù)率可達(dá)90%以上。4.2增材制造技術(shù)4.2.1選區(qū)激光熔化（SLM）選區(qū)激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，在制備多孔NiTi形狀記憶合金方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其原理是基于離散-堆積的思想，以三維模型為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)將模型切片成一系列二維層片，然后利用高能量密度的激光束按照切片輪廓信息，逐層選擇性地熔化金屬粉末，使粉末在激光能量的作用下迅速熔化、凝固，最終堆積形成三維實(shí)體零件。在制備多孔NiTi形狀記憶合金時(shí)，首先需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)的三維模型，利用計(jì)