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Zr基大块金属玻璃因其具有高强度,耐磨损,高弹性和低弹性模量以及优异的耐腐蚀性能而在生物医学领域呈现广阔的应用前景。然而,当前对这类新型亚稳材料的生物相容性的研究仍相当欠缺。本项目提出通过合理的成分设计首先制备出具有较好室温塑性的无Ni型Zr基块体金属玻璃。然后,通过对此金属玻璃的微结构,热稳定性和室温力学性质的研究,评估其作为生物材料的力学相容性。在此基础上系统研究金属玻璃在模拟体液中的电化学行为和腐蚀磨损特征;研究金属玻璃对组织细胞(如纤维原细胞、成骨细胞等)生长和代谢的影响以及金属玻璃与血液各成分的生物反应和相互作用,评估该块体金属玻璃的生物相容性。为开发具有自主知识产权的新型高性能生物医用金属材料提供理论和实验依据。
批准号 |
50571039 |
项目名称 |
无Ni型Zr基块体金属玻璃的形成及其生物相容性的研究 |
项目类别 |
面上项目 |
申请代码 |
E0106 |
项目负责人 |
柳林 |
负责人职称 |
教授 |
依托单位 |
华中科技大学 |
研究期限 |
2006-01-01 至 2008-12-31 |
支持经费 |
27(万元) |
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可以套用全玻门
金属在从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点,原子按一定的规律排列,形成晶体;而玻璃从液态到固态是连续变动的,没有明确的分界线,即没有固定凝固点。因此,金属是一种典型的晶体材料,它的许多特性是由其内部晶...
寻找可以形成块体金属玻璃的合金
麻省剑桥市的哈佛大学约翰鲍尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员与杜克和耶鲁大学的同事们合作开发了用于预测金属液态玻璃成形性的方法。SEAS的材料工程教授JoostJ.Vlassak说道:“我们首次发现并可以提前计算出玻璃成形性与合金及其性能的关系。”
Nd对Mg基块体金属玻璃的玻璃形成能力的影响
通过熔体铜型浇注方法制备了Mg65Cu25NdxY10-x(x=4,5,7,10)合金,并对它们的玻璃形成能力进行了研究。利用X射线衍射确定合金的结构组成,差示扫描量热计(DSC)分析合金的玻璃转变、晶化和熔化行为。结果表明:在Mg65Cu25NdxY10-x合金中,当x=5时,合金的非晶形成能力最强,玻璃形成的临界厚度大约为4.5mm,同时非晶的过冷液相区ΔTx和约化玻璃转变温度Trg均为最大,分别为54.5K和0.581。当x≥5时,随着Nd含量的增加,金属玻璃的玻璃转变温度Tg降低,过冷液相区ΔTx减小,约化玻璃转变温度Trg也随之相应地变化。
Al基非晶合金因其轻质、高强、耐蚀、廉价等特点在航空航天及交通运输领域展现出巨大应用潜力;然而非晶形成能力差、制备块体材料困难成为其实际应用的严重障碍。本申请引入冷喷涂技术以最大程度地减小制备材料尺寸对合金形成能力的依赖,突破Al基非晶合金大尺寸块体的制备瓶颈,为新材料的实际应用奠定基础。.研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金为基础调整和确定元素组成,雾化制备粉体喂料并检测粉体相关特性;同时模拟研究冷喷涂过程中不同状态(预热温度与飞行速度)颗粒撞击后绝热升温、塑性变形、有效结合等情况以及冷却过程对组织形成的影响;然后以模拟结果为依据,冷喷涂制备有针对性的非晶合金样品;考察颗粒的沉积、结合行为以及合金的组织结构特点;通过数值模拟并辅以组织性能分析的方法解决相关科学问题,揭示非晶合金块体的形成规律;优化和确定喷涂工艺,冷喷涂制备优质的Al基非晶合金块体并进行相关后续处理及组织性能检测。
Al基非晶合金因其轻质、高强、耐蚀、廉价等特点在航空航天及交通运输领域展现出巨大应用潜力;然而非晶形成能力差、制备块体材料困难成为其实际应用的严重障碍。本申请引入冷喷涂技术以最大程度地减小制备材料尺寸对合金形成能力的依赖,突破Al基非晶合金大尺寸块体的制备瓶颈,为新材料的实际应用奠定基础。 研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金为基础调整和确定元素组成,雾化制备粉体喂料并检测粉体相关特性;同时模拟研究冷喷涂过程中不同预热温度与飞行速度颗粒撞击后绝热升温、塑性变形、有效结合等情况以及冷却过程对组织形成的影响;然后以模拟结果为依据,冷喷涂制备有针对性的非晶合金样品;考察颗粒的沉积、结合行为以及合金的组织结构特点;通过数值模拟并辅以组织性能分析的方法解决相关科学问题,揭示非晶合金块体的形成规律;优化和确定喷涂工艺,冷喷涂制备优质的Al基非晶合金块体并进行相关后续处理及组织性能检测。 首先,完成了Al基非晶合金的成分设计;通过雾化制粉技术制备出满足冷喷涂要求的非晶合金粉体;确定了合金的熔炼工艺和雾化制粉工艺;考察了采用高纯原材料及工业级原材料制粉的可能性;对粉体非晶结构进行了确认,对粉体相关工艺特性进行了分析。其次,在沉积行为模拟方面,对于一种新型合金材料,通过现有资料与数据分析,结合对实际制备材料的相关测试,获得了建立本构方程及物理模型的必要数据,弥补了新材料数据缺乏问题;掌握了ABAQUS软件模拟、Lagrange和Euler法算法以及它们在本项目上的具体应用。第三,通过模拟和实验了解了非晶颗粒沉积行为,确定了相关冷喷涂工艺参数调控范围,制备了分散颗粒、涂层及沉积体样品,确定了制备材料的非晶组织结构,初步实现了项目目标。第四,初步测试了制备材料的硬度、结合强度、表面粗糙度、耐腐蚀性能等指标,考察了涂层形成与致密化机理。相关工作为冷喷涂非晶涂层制备及该技术的实际应用打下基础。
金属玻璃独特的微观结构使得其具有许多优良的力学性能,然而它所表现出来的宏观脆性严重限制了其在工程结构上的应用。为了增加金属玻璃的韧性,研究者们在金属玻璃中引入晶体相,制备出既具有高强度又具有良好韧性的金属玻璃基复合材料。由于金属玻璃复合材料具有良好的力学性能,因此具有广阔的应用前景。针对目前金属玻璃基复合材料力学行为以及本构模型研究方面的不足,本项目首先通过宏观实验、微观观察以及纳米压痕实验,了解金属玻璃基复合材料的单调拉伸、压缩以及单轴循环变形的特征和变形以及失效机理。然后借助UMAT用户子程序将改进的自由体积模型引入ABAQUS软件,建立了二维和三维的代表性体积单元,模拟了金属玻璃基复合材料在单轴拉伸和压缩载荷作用下的变形过程,讨论了颗粒体积分数、形状、分布规律以及材料参数等微结构参数对复合材料中剪切带的演化以及复合材料韧性的影响。进而基于自由体积模型,引入能够有效反映纳米孔洞形核和汇聚的演化方程,在连续介质热力学框架下构建了一个能够合理描述金属玻璃失效的三维本构模型;最后采用广义Mori-Tanaka(M-T)方法和二次均匀化方法,构建了一个能够合理描述金属玻璃基复合材料变形和局部失效行为的细观本构模型,对金属玻璃基复合材料在单调拉伸和压缩时的应力-应变行为及失效行为进行了合理地描述和预测。项目的研究结果丰富了对块体金属玻璃基复合材料的力学行为的认识,所建立的本构模型可为该类材料构件的设计以数值分析提供理论基础,促进金属玻璃基复合材料在工程结构中的应用,具有重要的理论意义和工程应用价值。 2100433B