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近等原子比的NiTi形状记忆合金(Nitinol)由于具有特殊的形状记忆效应、超弹性及良好的生物相容性而被广泛用作各种生物医学植入材料,例如口腔正畸丝,自膨胀心血管支架和骨折固定板及骨钉等。其中NiTi口腔正畸丝是NiTi形状记忆合金在此领域的一种较为成熟的应用,它利用了NiTi形状记忆合金的相变伪弹性来提供矫正牙齿所需的恒定缓和的驱动力,已越来越多地代替不锈钢、纯钛、Ti6Al4V等传统的正畸材料。
由于NiTi形状记忆合金临床应用中腐蚀析出的Ni离子会导致人体过敏,致癌及产生毒性等生物相容性问题,因此引起了研究人员对其耐蚀性的广泛关注。此外,由于NiTi正畸丝服役时处于口腔中复杂的腐蚀环境以及应力状态下,经常发生早期断裂失效问题,给患者带来了痛苦和治疗成本的提高。
大量的文献研究表明,来源于日常饮食和牙科保健治疗中的氯离子和氟离子是口腔环境中对NiTi正畸丝腐蚀性最大的两种介质。虽然文献研究指出,氟离子对NiTi形状记忆合金在模拟人体生理溶液中的腐蚀行为有较大的负面影响,但是缺乏关于氟离子是如何具体恶化NiTi形状记忆合金耐蚀性的详细解释,以及二者对NiTi形状记忆合金是否具有不同的腐蚀行为。因此,本文利用电化学实验结合扫描电镜观察研究了等摩尔量的氯离子和氟离子对NiTi形状记忆合金的电化学腐蚀行为的影响。
此外,文献中研究大多都是评价NiTi形状记忆合金在静态腐蚀下的镍离子析出导致的生物相容性问题,对其在力学化学交互作用下的早期断裂失效问题研究的较少。因此本文还研究了NiTi形状记忆合金的静态腐蚀对其常规力学性能的影响,以及NiTi形状记忆合金在氯离子和氟离子中的慢应变速率应力腐蚀实验,旨在评价其力学化学交互作用。
基于以上实验,本文得出的主要实验结果如下:(1)通过动电位极化曲线实验研究,发现NiTi形状记忆合金对氯离子存在强烈的点蚀敏感性,而对于属于同一主族元素的氟离子则不存在显著的点蚀敏感性,而以均匀腐蚀为主;(2)NiTi形状记忆合金在氟离子介质中的Ni离子析出率高于在氯离子介质中的析出率;(3)氯离子和氟离子对NiTi形状记忆合金的腐蚀行为存在着较强的交互作用,会恶化NiTi形状记忆合金的耐蚀性;(4)通过预浸泡的NiTi正畸丝的拉伸实验研究,发现了NiTi形状记忆合金在口腔溶液环境中的腐蚀会导致其应力诱发马氏体相变所需的临界应力降低,达不到矫正畸齿所需的应力,将损害其生物功能性,甚至会给患者带来较大的痛苦;(5)通过慢应变速率拉伸实验研究,发现了相对氯离子而言,氟离子会强烈地加速NiTi正畸丝早期断裂失效,而且随着氟离子浓度的增加,NiTi正畸丝会较早地断裂于应力诱发马氏体相变过程中,形成的断口具有类似疲劳断裂的特征,疲劳加载的出现可能于拉伸过程中相变应力的波动有关。此外,通过外加电位实验发现,NiTi正畸丝在阳极极化下的氯离子环境中,会发生萌生于表面局部点蚀处的应力腐蚀断裂。