激光诱导自蔓延合成TiNi-TiN梯度材料研究

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本研究将先进的激光技术与自蔓延材料合成技术相结合,成功的合成了TiNi-TiN多孔梯度材料。激光作为自蔓延反应的点火热源,在整个自蔓延反应的过程中起到了预热、点火和助燃三个作用,充分体现出了激光具有高能量密度的优点。利用自蔓延原理合成的材料具有天然的多孔结构,多孔的TiNi材料在生物医学骨移植方面的应用是目前研究的热点。 本试验在前期工作的基础上,对原有的自蔓延反装置和试样预制模具进行了一定的改进。反应时先向反应容器内通入一定量的氮气,然后对压制成型的Ti、Ni粉末坯体进行适当的预热,最后用激光照射反应容器内的粉末坯体试样,诱导Ti-Ni和Ti-N<,2>两个体系发生自蔓延反应,两个体系相互作用,最终合成TiNi-TiN多孔材料。对于重量超过10g的试样,预热过程显得非常重要。 该自蔓延反应涉及到固一固和固一气两个反应体系,反应过程较为复杂。结合一些数据资料对该体系反应过程从热力学和动力学的角度进行了简单分析;对这两个反应体系之间的相互关系,反应发生的先后次序等进行了初步的探讨;总结了燃烧波的蔓延特征,并计算了燃烧速度。 分别用x射线衍射(XRD)技术、金相技术和扫描电镜(SEM)技术分析了反应产物的相组成和显微结构。实验结果表明:用激光诱导自蔓延高温合成技术成功制备出了TiNi-TiN多孔梯度材料,反应产物中含有TiNi、Ti<,2>Ni、Ni<,3>Ti和TiN四种物相,反应产物中存在大量孔隙和孔洞,孔洞大小不一,尺寸范围在几个微米到1~2毫米,孔隙率高达50~55%,孔洞与孔洞之间的连通性很好;反应产物层与层之间结合紧密,组织过渡良好。对试样所作的力学性能如硬度、抗压强度测试表明,台成材料完全满足一些生物移植体的功能性要求。然而,对试样所作的耐人体体液腐蚀模拟试验表明,该材料目前用作生物医学移植体还存在问题,在模拟体液中检测到了大量的镍离子。对导致镍离子释放的原因进行了初步分析,为今后进一步研究如何改进合成材料打下基础。
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