烧结TiH2制备有序多孔钛工艺与性能研究

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有序多孔钛在医疗植入、医药制备、精细化工等领域有很好的应用前景。有序多孔钛是指孔隙大小均匀、排列规则的多孔钛材料。其具有耐腐蚀性强、生物相容性好、比强度高、过滤精度高、连通性好、传热性好、流阻低、易加工、能与其它材料复合等优点。传统制备技术难以制备出高孔隙率、孔隙结构规则的多孔钛。常用于制备有序多孔钛的方法是3D打印技术,3D打印技术对工艺装备、前端粉料、过程控制的要求非常高,所以常用于制备高端、精密的有序多孔钛材料。本实验采用有序排列的有机网格作为造孔剂,可以制备综合性能好,性价比高的有序多孔钛,具有广泛应用前景。制备有序多孔钛时,有机网格的选择、制备工艺的控制等都对多孔钛性能有很大影响。本研究采用尼龙网格作为造孔剂,结合流延技术使Ti H2浆料均匀填充于有机网格中,逐层堆叠成型,干燥后得到生坯,再真空烧结除去有机网格得到有序多孔钛,烧结工艺为1100℃保温2小时。对比研究了20目、40目和80目尼龙网格作为造孔剂,制备的有序多孔钛的性能。结果表明:有序多孔钛其孔隙率分别为71.40%、59.63%、68.92%,抗压强度为3.83MPa、19.80MPa、6.86MPa,弹性模量为0.15GPa、0.38GPa、0.18GPa。利用该工艺制备的有序多孔钛宏观孔隙结构为网格状,孔隙呈三维有序排布,孔径大小均匀,在具有大孔的基体上又分布着微孔,试样的大孔径尺寸分别为250μm、160μm、80μm,微孔孔径在2~10μm。通过COMSOL Multiphysics软件进行有限元模拟,将有序多孔钛简化为圆形孔隙2D模型,结果显示有序多孔钛的弹性模量随孔隙率升高而降低,与孔隙大小无明显关系。当孔隙率相同,椭圆形孔隙a>b时,其弹性模量小于圆形孔隙的弹性模量;当椭圆形孔隙a<b时,其弹性模量大于圆形孔隙的弹性模量。实验表明,可以通过控制尼龙网格目数和网格密度,结合烧结等工艺过程和参数的控制,调控有序多孔钛的孔隙结构,孔隙率大小,力学性能等。本研究对制备有序多孔钛具有一定的指导意义。
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