NiTi形狀記憶合金的超彈性及醫學應用研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金是一種功能材料，集形狀記憶效應、超彈性和良好的生物相容性于一體，在醫學領域顯示出誘人的應用前景。NiTi合金作為介入醫療器械的工作原理絕大多數是利用其良好的非線性超彈性。而在NiTi合金醫用器械生產時，通常要經過管材拉拔、板材軋制以及后續熱處理等過程。如何調節材料的微結構、相變溫度和力學性能，以保證其在體溫下獲得最佳的超彈性并滿足醫用需求是當前需要解決的問題。 針對上述問題，本文研究了冷軋再結晶織構特征對材料

2、超彈性相變應變的影響；研究了強磁場中溫時效富鎳NiTi合金對Ti3Ni4析出相變體生長取向及力學性能的影響；研究了NiTi合金編織支架的定型處理工藝，并在此基礎上對支架單元的力學性能響應曲線進行了有限元模擬。主要結論如下： NiTi合金經30％冷軋變形后，在400℃退火后開始回復，600℃完全再結晶。大變形產生較高的位錯密度抑制了馬氏體相變的發生，直到400℃和500℃退火處理后樣品發生B2←→R←→B19'二階相變，600℃完

3、全再結晶后樣品發生B2←→Bl9'-階相變。 在冷軋-回復-再結晶過程中，NiTi合金的織構組分發生顯著變化。冷軋后為{223}<110>織構和(322)面織構，經300-500℃退火后轉變為近{111}面織構和(132)[023]織構，完全再結晶后轉變為近{122}<223>織構。再結晶退火后NiTi合金的力學性能存在各向異性，其超彈性相變應變受材料的織構特征和再結晶晶粒尺寸影響顯著。 Ti-50.6 at.％Ni合金

4、經500℃時效2.5 h后，Ti3Ni4相主要沿晶界析出，不同磁感應強度下時效后樣品均發生三階段相變，包括晶界附近發生的B2←→R、R←→B19'兩階相變和晶粒內部發生的B2←→Bl9'單階相變，強磁場的施加并未改變Ti3Ni4析出相的形核位置。但磁場力的作用改變了析出相變體的局部應變，造成了Ti3Nh相變體的選擇性生長，即易于沿著平行于磁場合力方向析出生長，同時抑制了其它取向變體的生長；部分相互平行且相鄰的Ti3Ni4相發生相互搭接而

5、生長成一體。 強磁場施加造成Ti3Ni4析出相變體選擇性生長，減少了晶界附近析出相變體的數量，造成時效處理后B2←→Bl9'的相變溫度隨磁感應強度的增加而降低，同時由于析出相定向分布導致材料力學性能產生各向異性。 對于超彈性NiTi合金編織支架單元來講，定型溫度是影響其定型效果的主要因素。滿足支架單元定型要求的溫度在450-550℃之間，經500和550℃時效處理后的定型效果最為穩定，與預期夾角差值不超過30。

6、 定型處理對材料的相變溫度Af影響較大，隨時效時間的延長，Af溫度呈增加趨勢，且在400℃時效時達到峰值。體溫測試時，平臺應力隨著時效時間延長而降低，且除500、550℃時效120 min和180 min的樣品外，其它樣品均具有非常好的可回復性能。針對此材料成分、定型結構的NiTi合金編織支架單元，推薦選取500℃作為定型處理溫度，為了獲得最佳的定型效果和力學性能，定型時間不宜超過60min。利用有限元方法對最佳定型處理工藝的支架單元進