螺旋孔隙材料孔结构表征及孔结构混合坍塌机制

针对钛丝烧结法制备的螺旋孔隙骨修复用多孔钛的孔结构表征和应用过程中孔结构破坏机理等理论问题，建立适合螺旋孔隙材料的三维孔结构单胞模型，并以该模型为研究对象，采用理论分析、实验研究和数值计算相结合的方法，研究孔结构参数对孔隙度的影响规律，阐明三维单胞模型下孔结构的混合坍塌机制，确定螺旋孔隙骨修复用多孔钛的压缩破坏机理。项目将揭示孔隙度与孔结构参数间的函数关系，建立螺旋孔结构的混合坍塌机制模型，实现对螺旋孔隙骨修复用多孔钛压缩力学行为的深刻认识，项目的研究成果对于丰富多孔金属破坏机制有重要意义，可为螺旋孔隙骨修复用多孔钛设计与应用提供科学依据。

利用钛丝烧结法制备的螺旋孔隙多孔钛因其具有良好的力学和生物相容性，在骨修复领域有着巨大的应用潜力。但是，螺旋孔隙多孔钛孔结构的破坏机制不明确，限制了其进一步应用。项目针对钛丝烧结制备螺旋孔多孔钛的孔隙度设计和多孔钛应用过程中孔结构破坏机理等理论问题，以三维孔结构单胞模型为研究对象，研究孔结构参数对孔隙度的影响规律，分析三维单胞模型下孔结构的混合坍塌机制，确定螺旋孔隙骨修复多孔钛压缩破坏机理。通过理论计算和实验研究建立了螺旋孔隙骨修复多孔钛三维单胞模型，阐明了孔隙度与孔结构参数间的函数关系式，揭示了孔结构参数对孔隙度的影响规律。发现了烧结颈对力学性能的影响规律，建立起了的相对烧结颈对压缩屈服强度和杨氏弹性模量的影响关系模型;结果表明随着相对烧结颈的增大，多孔钛单胞的压缩屈服强度和弹性模量也随之明显增大，烧结颈的相对长度对多孔钛单胞的压缩力学性能影响较小，单胞内三个烧结点中，双自由端位置处的烧结颈对多孔钛单胞压缩力学性能的影响最大。建立了三维单胞模型下孔结构的混合坍塌机制模型，揭示混合坍塌机制下孔结构参数对螺旋孔隙骨修复多孔钛压缩力学行为的影响规律，结果表明在孔隙坍塌中螺旋结构塑性坍塌贡献在80%左右，弹性坍塌贡献约为20%。验证模型和研究烧结工艺过程发现了竞争生长现象，在烧结过程中随着时间的延长，烧结颈先增加后减小，当晶粒尺寸接近或超过烧结颈尺寸时，烧结颈继续生长所需驱动力远大于钛丝内部晶粒长大所需驱动力，因此原子趋向于优先满足内部晶粒长大所需，最终在竞争过程中已经长大的烧结颈会逐渐缩小最终被吞噬掉。这一结果为制备多孔钛过程中控制烧结工艺以确保烧结颈有足够的尺寸奠定了研究基础。通过该课题的研究，培养研究生3名，发表文章6篇，SCI检索3篇，申请专利2项。项目研究成果实现了对螺旋孔隙骨修复多孔钛压缩力学行为的深刻认识，对于丰富多孔金属破坏机制有重要意义，可以为螺旋孔隙骨修复多孔钛设计、制备与应用提供科学依据。