传统的金属多孔材料制备技术普遍存在着工艺与成本方面的不足，并且多以牺牲强度为代价的，因此尚不能解决高强度、高韧性与低弹性模量这一矛盾。在此背景下，本课题研制了以生物医学为应用对象的金属纤维多孔材料(主要包括纤维多孔钛和纤维多孔钢)，其制备实际上属于一种改进的冶金方法，是通过预绕制压实及后续烧结(和热处理)制备出不同孔隙率的多孔材料。为了揭示金属纤维多孔材料的宏观力学行为和微观变形机制，本课题从其多孔结构研究入手，在试验、检测、分析、计算的基础上，探明其结构性能关系，为改进和优化多孔材料制备技术与工艺、提高多孔材料性能、指导其医学临床应用等提供重要的实验与理论依据。　　 基于电子分析天平、蔡司材料显微镜、体视显微镜、扫描电子显微镜、Tomography技术、能谱分析仪、X射线衍射仪、万能材料试验机等相关设备与方法研究得知：　　 金属纤维多孔材料具有三维且高贯通性的孔结构，从表到里都分布着大量的互相连通的微孔和缝隙。无论是随机型还是螺线型都属于各向异性材料，其纤维/丝之间相互缠绕。在其成型受压面上，纤维/丝多为平行于受压面分布。它的形状及空间分布比其它的泡沫结构(例如三维多面体、三维球面围成的空隙结构、或由球体堆积形成的球面间隙结构)更为复杂。存在于连续随机网状空间结构中的大量交叉连接点经烧结后(即烧结点)贡献于纤维多孔材料的力学性能。　　 控制多孔结构和孔隙率的主要因素按重要性递减的顺序可列为：纤维/丝直径>成型压力>烧结温度>烧结时间。烧结(及热处理)前后纤维多孔钛的成分和物相保持一致，都是密排六方结构的α-Ti单相组织，为预先期望的组织。本文很好地说明了烧结工艺的重要性，纤维/丝在相接触处被烧结连接在一起，从而提高了金属纤维多孔材料的刚度和强度。　　 对纤维多孔钛，无论是丝径为0.08mm还是丝径为0.15mm；无论是随机型还是螺线型，其准静态单轴压缩应力-应变曲线都经历三个典型的阶段(即弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段)，且其压缩平台强度和压缩模量都随孔隙率的减小而快速提高。扭曲的纤维/丝的移动、旋转、弯曲、屈曲或褶皱以及烧结点的剖开或破裂，是随机型纤维多孔钛单轴压缩变形和失效的主要机制。纤维/丝螺旋卷的弯曲、相互啮合、压扁及烧结点的剖开或破裂，是螺线型纤维多孔钛单轴压缩变形和失效的主要机制。纤维多孔钛的伪弹性滞后行为、阻尼特性及能量耗散能力在工程、生物医学、航空、航天、及其他工业应用方面是非常有前途的。　　 两种丝径制备的随机型纤维多孔钛的拉伸应力.应变曲线都经历四个阶段，即(Ⅰ)初始弹性阶段；(Ⅱ)屈服、塑性变形开始且局部纤维/丝发生破裂；(Ⅲ)断裂的扩展和应力急剧下降；(Ⅳ)完全失效。随着孔隙率的增加，两种丝径所制备的随机型纤维多孔钛的拉伸强度和弹性模量都急剧下降，而最大力总伸长率则随孔隙率的增大而增大。结构变形和纤维/丝的塑性变形贡献于的随机型纤维多孔材料总的变形。扭曲的纤维/丝伸展、烧结点剖开或破裂及纤维/丝向拉伸载荷方向旋转是随机型纤维多孔钛拉伸塑性变形和失效的主要机制，其纤维多孔结构中的单根纤维/丝以韧性缩颈方式变形和失效。　　 两种丝径制备的随机型纤维多孔钛的弯曲力.挠度曲线都经历四个阶段，即(Ⅰ)初始弹性阶段；(Ⅱ)屈服、塑性变形开始且局部纤维/丝发生破裂；(Ⅲ)断裂的扩展和弯曲力急剧下降；(Ⅳ)完全失效。随着孔隙率的增加，两种丝径所制备的随机型纤维多孔钛的弯曲强度和弯曲弹性模量都急剧下降，而最大弯曲力对应的挠度则随孔隙率的增大而增加。扭曲的纤维/丝的伸展、移动、旋转、弯曲、屈曲或褶皱以及烧结点的剖开或破裂，是随机型纤维多孔钛三点弯曲变形和失效的主要机制，其纤维多孔结构中的单根纤维/丝会经历缩颈变形和韧性断裂。卸载后孔隙率较大的试样没有发现宏观断裂，而孔隙率较小试样的出现宏观断裂迹象。　　 孔隙率是影响纤维多孔钛力学性能的重要因素，而孔隙形貌、孔隙尺寸与分布对力其力学性能也有影响，即在孔隙率基本相同时，孔隙越小或分布越均匀(分布区间窄)，纤维多孔钛的力学性能越好。　　 当总孔隙率在44.2±0.1％～7±0.1％之间的随机型纤维多孔钛(丝径为0.08mm)的压缩性能(压缩平台强度：80.1±1.0～147.8±1.8MPa，弹性模量：1.4～2.3GPa)与自然骨(压强度：88.3～193MPa，弹性模量：1～30GPa)非常接近。然而，从弯曲性能角度讲，总孔隙率为54.5±0.1％～57.4±0.1％的纤维多孔钛的抗弯强度为107.2±1.3～189.5±1.5MPa，与骨抗弯强度(110～184MPa)相近。所以，可以粗略地估计总孔隙率在40.0％～60.0％范围内的随机型纤维多孔钛，具有与人体骨匹配的力学性能，有利于解决或减轻植入体和骨的应力集中或应力屏蔽，延长植入体的寿命。　　 随机型纤维多孔钢呈现出与随机型纤维多孔钛类似的准静态单轴压缩行为及变形机制。在所制备的孔隙率范围内，随机型纤维多孔钛和纤维多孔钢的相对平台强度和相对密度之间，以及相对弹性模量和相对密度之间的关系可以通过幂律模型很好地进行拟合。较大的指数表明二者的压缩弹性模量和平台强度均对孔隙率较敏感。而且，还发现四种不同孔隙率的纤维多孔钢的理想吸能率约在14.4～22.1％应变范围内达到最高值，约0.878～0.898，显示出优良的吸能性。　　 随机型纤维多孔钢也呈现出与纤维多孔钛类似的准静态单轴拉伸行为及失效机制，但在实验所测试的孔隙率范围内，前者的失效试样并不存在宏观上的完全断裂，且前者的最大力总伸长率随孔隙率的增大而减小，后者却反之。　　 随机型纤维多孔钢三点弯曲过程经历最初的弹性变形、较长的伪屈服平台和弯曲力急剧增加三个阶段，类似于其压缩变形过程，其失效归因于网状结构单纯的塑性变形，区别于随机型纤维多孔钛三点弯曲行为与失效方式。纤维多孔钢弯曲屈服强度和弯曲弹性模量随孔隙率的增加而非线性地下降。　　 在扭转载荷下，随机型纤维多孔钢经历结构变形，然后失效。在纤维/丝伸展、移动、旋转及烧结点的剖开或破裂的机制上发生网状结构变形。试样的失效从其表面上正应力和剪切应力最大处开始，并揭示典型的正断特性，即具有接近45°断裂面。剪切强度和剪切模量依赖于孔隙率的大小，均随孔隙率增加而下降。　　 随机型纤维多孔钢的冲击韧性随孔隙率增加而下降，其冲击失效不能被认为是简单的脆性断裂模式或简单的塑性断裂模式。在冲击条件下，随机型纤维多孔钢的基本冲击变形和失效机制，例如：孔棱(纤维/丝)弯曲、屈曲、旋转、移动、伸展和断裂，网状结构中烧结点的剖开或撕裂，有助于良好的能量吸收特性。　　 此外，三维连通的纤维多孔钛微球复合纳米锶磷灰石能保持其原有的特性，同时，促进成骨细胞吸附、增殖和分化，更有效地诱导骨形成，并加速骨整合，提高骨键合能力。