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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 生物材料 » 綜合其他 » 生物材料的成形性研究—鉭膜
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生物材料的成形性研究—鉭膜
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一、引言 在醫(yī)療、精密工程及電子信息設備行業(yè)，薄金屬部件的需求持續(xù)增長，推動了微成型技術的發(fā)展。鉭生物材料因其獨特的性能而受到特別關注，尤其在制造微型組件方面顯示出廣泛的應用潛力。隨著材料尺寸的減小，挑戰(zhàn)也隨之出現(xiàn)，如延性降低和變形不均，這要求開發(fā)適合微成型的材料和工藝。 在醫(yī)療技術和通信行業(yè)中，微組件的使用已成為增值的關鍵因素，使得微成型技術在創(chuàng)新產(chǎn)品制造中扮演著核心角色。小型化趨勢推動了新制造技術的發(fā)展，尤其是當傳統(tǒng)硅基微機電系統(tǒng)（MEMS）達到其加工極限時。微成型技術提供了一種有前景的成形方法，能夠產(chǎn)生精確的微觀細節(jié)，提供近凈形狀的性能，改善復雜幾何形狀的形成能力，并能夠使用包括鉭在內(nèi)的多種材料生產(chǎn)出具有較高剛度和強度的微型部件。此外，成型過程能夠滿足大批量微組件的生產(chǎn)需求，在重要的經(jīng)濟市場中，這些微量零部件在各類工業(yè)產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用。 當前的研究重點在于調(diào)查和分析鉭生物材料的成形能力，特別是其在 80µm 材料厚度下的表現(xiàn)。研究采用 ASTM-2218-14 標準，并通過模擬和數(shù)值方法進行了比較分析。使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀結構分析，以研究鉭材料的行為并解釋其成形性。能量色散 X 射線光譜（EDS）驗證了材料中的元素，顯示良好的一致性。研究的最終目的是通過試驗和模擬方法，對鉭材料的成形性進行定義和比較。借助掃描電鏡的微觀結構研究為材料行為提供了支持。 二、成形性和成形極限曲線 成形極限曲線（FLC）描述了金屬鈑金材料的最大可成形性，通過兩個主要地表應變的關鍵組合來展示。FLC 為材料、工具和潤滑條件提供了極好的指導，并在很大程度上取決于材料的參數(shù)。 FLC 的概念最早由 Keeler 提出，他注意到最大局部延伸率不足以確定膜片的可能變形率。在同一幅圖中，ε1 失效時的主要變形的構造給出了一條曲線：ε2 沿著兩個軸形成了一個極限曲線。這條曲線首先被限制在 ε2 > 0 的區(qū)域，并由古德溫擴展到 ε2 < 0。這條曲線將平面分成了兩個區(qū)域，形狀約束曲線下面的成功區(qū)域和它上面的失敗區(qū)域，用于繪制操作。目前，判斷細長部分是否合格的標準是局部頸縮的存在。FLC 示意圖中橫軸和縱軸分別為小應變和大應變，所有區(qū)域均以不同顏色組合表示，頂部的紅色區(qū)域表示失效，綠色區(qū)域表示要成形的安全區(qū)，藍色、紫色、淺綠色和棕色區(qū)域是缺陷區(qū)域，在這個區(qū)域中形成的物體以一些或另一種缺陷結束。該方法用于預測 Ta 的成形性。 三、鉭 鉭的發(fā)現(xiàn)歸功于瑞典化學家安德斯・古斯塔夫・�？喜�，他在 1802 年于伊特比礦中發(fā)現(xiàn)了這種礦物。盡管最初被誤認為是鈮的一種形態(tài)，瑞士化學家讓・查爾斯・加利薩德・德・馬里納克在 1866 年證實了鉭和鈮是兩種不同的元素。 本研究涉及 Ta 材料，一種由鉭、碳、氧、鈮等組成的合金，以其出色的耐腐蝕性和與有機酸及骨骼結合的能力而著稱，使其成為生物醫(yī)學領域的理想材料。Ta 因其卓越的生物相容性，在醫(yī)療應用中廣泛應用，包括骨科和牙科植入物、心臟起搏器以及動脈瘤夾。該材料不僅展現(xiàn)了優(yōu)異的骨長入和固定能力，還具備良好的生物相容性和骨整合特性，加之其出色的力學性能，使其成為需要長期植入的醫(yī)療設備的優(yōu)選材料。 通過能量色散 X 射線光譜（EDS）分析，表 1 展示了 Ta 材料中所包含的元素及其能級，圖 2 提供了 EDS 分析的具體結果。Ta 的力學性能詳細數(shù)據(jù)見表 2。 四、試樣制備 首先，采用絲網(wǎng)印刷工藝進行圓形網(wǎng)格標記，制備出試樣。用于圓網(wǎng)格標記的模具是直徑為 1 毫米的孔，2 個孔之間的距離為 2 毫米。執(zhí)行了網(wǎng)格標記，這些標記的圓形網(wǎng)格在實驗過程中被拉伸成橢圓，然后有長軸和小軸。根據(jù)公式 1 計算大應變和小應變，最終繪制材料的 FLC。 對一組樣品中的每個樣品都進行了實驗和測量。采用線切割電火花加工工藝進行切割。實驗所需的指定形狀按照 ASTM 2218-14 標準進行，該標準用于確定具有特定樣品形狀和尺寸的任何材料的 FLC 值。這是一個特定的標準，主要被研究人員用于預測和定義任何具有特定測試樣品的材料的成形性。實驗中考慮的樣品直徑計為 10mm，目前的研究樣品是根據(jù)中島試驗準備的，各種應變路徑預測為單軸、單軸中間、平面、雙軸中間和雙軸。 五、工具設置開發(fā) 為了深入研究 Ta 材料的微成形特性，設計并開發(fā)了一款專用的夾具。該夾具由上下兩部分組成，每部分都有一個模具，并在這兩個模具之間運用了兩個摩擦板來生成必要的摩擦力。該工具特別配備了直徑為 4 毫米的半球形沖孔頭，以適應微小成形工藝的需求。 整套裝置安裝于一臺最大承載能力為 5 千牛頓（KN）的通用測試機（UTM）上，以便進行精確的力量控制和位移測試。實驗過程中，UTM 的十字頭移動速度設定在 0.4mm/min 至 1.2mm/min 之間，以確保對材料成形過程的精密控制，并獲取準確的測試數(shù)據(jù)。 六、實驗調(diào)查 實驗調(diào)查遵循 ASTM 2218-14 標準，對六種不同樣本進行了三組中島試驗。這些試驗涉及使用絲網(wǎng)印刷技術在樣品上印制圓形網(wǎng)格。每個樣本在連接后都經(jīng)歷了裂紋發(fā)展過程。一旦開始形成裂紋，就對每個樣本的長軸和短軸進行測量，以提高測量精度。 通過視覺測量系統(tǒng)完成這些測量，確保了大應變和小應變的預測準確性。這是通過測量連接區(qū)域附近發(fā)生的主軸和次軸來實現(xiàn)的。根據(jù)方程 1，計算應變率，即長度變化與原始長度的比值。這個過程最終確保了材料的 FLC 圖的準確性，其中繪制了所有六個應變路徑。 七、利用 M-K 準則對 FLC 的理論預測 為了準確快速地獲取材料的 FLC（成形極限圖），常用基于塑性變形理論的方法。Swift 模型通過均方根值與剪應力邊緣增量的關系進行計算。利用初始厚度和缺陷深度進行計算，因其簡單準確而廣泛應用。 M-K 模型進行了改進，增加了凹槽和主方向之間的夾角，以更好地修正 M-K 模型。進行拉伸試驗的目的是為了記錄材料的機械性能，特別是最終的拉伸強度、伸長率和斷裂角度。在 M-K 模型上進行模擬試驗時，需要這些特定的數(shù)據(jù)。 試樣采用絲切電火花加工工藝制備，以降低應力濃度。測試在 5KN UTM 機器上進行，使用特定夾具。試驗結果得到了材料的力學性能和工程應力應變曲線。 八、結果和討論 對六個樣品進行了實驗研究，并依據(jù)應變測量數(shù)據(jù)構建了 FLC。利用視覺測量系統(tǒng)對所有樣本的主、次應變進行了測定，并將結果繪制于 FLC 圖上。表 3 列出了測量得到的應變路徑。此外，采用 ABAQUS 軟件對 M-K 模型相關的所有測量路徑進行了仿真分析，仿真結果詳見表 4�；趯嶒灁�(shù)據(jù)，繪制了 Ta 材料的 FLC 曲線，并與 M-K 模型的模擬結果進行了對比，結果顯示二者具有很好的一致性。 鉭的微觀結構研究使用光學金相顯微鏡對 80 微米 Ta 膜片的顯微結構進行了分析，在 100X 放大下觀察到兩相，分別占 39% 和 61%，這對鉭的性質(zhì)有顯著影響。通過圖像分析儀軟件進行了相位分析。為確認化學成分，采用 EDS 方法對 80 微米樣品進行分析，結果顯示除鉭外，還包含 Ni、Nb、O、C 元素。 使用 FEI Nova NanoSEM 450 和 Brukerx 閃光 6S30 進行的 SEM 和 EDS 分析表明，未成形的 Ta 樣品表面無裂紋，而已成形樣品表面出現(xiàn)大量裂紋。未成形樣品中可明顯看到阿爾法相和貝塔相；已成形樣品因拉伸導致晶粒結構變形并產(chǎn)生納米級微裂紋。未成形樣品未見空隙或材料拉伸，而已成形樣品則展現(xiàn)出明顯的拉伸圖案，表明失效源于材料膨脹而非空隙或不規(guī)則。圖頂部還可見到小裂紋形成，進一步證明材料因膨脹而失效。 九、結論 我們進行了鉭膜的微成形研究，特別關注其在生物醫(yī)學領域的應用。選擇了 80µm 厚的鉭膜片作為研究對象。通過中島測試進行實驗方法，并使用 ABAQUS 軟件的 M-K 模型進行仿真分析。實驗和模擬得到的成形極限曲線（FLC）顯示出良好的一致性，這為鉭材料在微成形領域的設計和模擬提供了一個基本基準。 |
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