Нам не удалось обработать ваш запрос. Пожалуйста, повторите попытку позже. Если у вас по-прежнему возникает эта проблема, обратитесь по адресу [email protected].

Вернуться в Healio

Фотография вспененного титана, изготовленного из пенополиуретана с 25, …

Контекст 1

… плотность / пористость вспененного титана. Об обширных механических свойствах пенопласта из титана CP сообщил Имвинкельрид [3]; однако результаты были для промежуточных уровней пористости (50-80%) пены титана, изготовленной с использованием метода PSH.Целью данной работы является исследование микроструктуры и механических свойств высокопористого пенопласта титана CP, полученного методом RI. Относительная плотность / пористость пены титана варьировалась с помощью шаблонов пенополиуретана с четырьмя различными размерами ячеек. Суспензию титана получали с использованием порошка титана CP, полученного путем распыления газообразного аргона, связующего и воды. Химический состав порошка титана CP показан в таблице 1. Химический состав был измерен с помощью оптического эмиссионного спектрометра, за исключением уровней O и N, которые были определены с использованием метода сжигания.Наблюдались следовые уровни Fe, H, N, C и O. Технические условия на крупность порошка составляли 45 мкм. Средний размер порошка составлял 22,94 м м (D 50), а измеренная плотность порошка составляла 4,49 г / см 3. Размер порошка измеряли с помощью лазерной дифрактометрии, а плотность порошка — с помощью газового пикнометра. Порошки, распыленные газом аргона, имеют сферическую форму, как это наблюдалось в предыдущем анализе SEM [8]. ПВА и Dolapix использовались в качестве загустителя и диспергатора соответственно.При 20 ° C 4 мас.% ПВС в водном растворе имеет вязкость 25 — 31 сП. Dolapix содержит раствор карбоновой кислоты с примерно 65% активного вещества. Содержание титановой суспензии составляло 75 мас.% Порошка титана, 1,5 мас.% ПВС, 1 мас.% Dolapix и уравновешивалось водой [8]. Связующие вещества, то есть ПВС и Dolapix, растворяли в воде с помощью магнитной мешалки при 90 ° C в течение 90 мин. Затем вводили порошок титана CP и перемешивали при 90 ° C в течение 10 мин с использованием электронного смесителя. Поскольку он не вступает в реакцию с титановым порошком во время обработки [10], в качестве материала для жертвенного шаблона был выбран пенополиуретан на основе полиэстера.Производители пенополиуретана обычно определяют размер ячеек в единицах пор на дюйм (ppi). В этом исследовании пенополиуретаны с четырьмя различными размерами ячеек, которые составляли 25-40 ppi с шагом 5 ppi, использовались для производства титановых пен CP с различными размерами ячеек. Следует отметить, что ранее сообщалось об исследованиях пены титана, полученной с использованием ячейки размером 35 ppi [8,10]. Пенополиуретан вручную окунали в смешанную титановую суспензию. После того, как все распорки внутри каждой из пенополиуретанов были покрыты титановой суспензией, излишки суспензии удаляли отжимом.Влажные пены титана сушили на воздухе при комнатной температуре в течение не менее 24 часов. Высушенную зеленую пену титана удалили и спекли. Стадия удаления связующего при 600 ° C в течение 2 часов с контролируемой скоростью нагрева 1 ° C / мин была использована для удаления органических веществ, то есть пенополиуретана, ПВС и Dolapix. Затем спекание проводили при 1150 ° C в течение 2 часов в высоком вакууме менее 10 À 3 Па. Структурные наблюдения и размер ячеек были выполнены с использованием трехмерной оптической микроскопии (3D-OM). Программное обеспечение для анализа изображений использовалось для измерения размера ячеек и распределения ячеек по размерам пен титана.Это было сделано аналогично тому, что производитель пенополиуретана использует для определения диаметра ячеек пенополиуретана. Из нескольких микрофотографий 3D-OM вручную были отобраны полные клетки и созданы эквивалентные круги, как показано на рис. 1. Средний размер клеток и распределение клеток по размерам были определены по меньшей мере из 150 репрезентативных клеток. Из-за структуры с открытыми порами кажущуюся плотность пены титана определяли как среднее значение плотности, измеренной как отношение массы к общему объему для каждого образца пены титана. Затем относительную плотность можно определить из отношения кажущейся плотности к объемной плотности. Впоследствии уровень пористости равен 1 минус относительная плотность. Для анализа XRD требовались мелкие частицы, поэтому спеченные пенопласты титана механически измельчали ​​с использованием ступки вместе с жидким азотом. Параметры анализа для 2 θ — θ метода XRD были установлены как 50 кВ и 300 мА, а мишенью была медь. Содержание углерода и кислорода в спеченной пене титана определяли методом сжигания.Механические свойства были получены в результате испытаний на сжатие. Образцы сжатия проволокой нарезали цилиндрической формы диаметром 15 мм и высотой 18 мм. Постоянная медленная скорость сжатия 1 мм / мин использовалась во время испытаний на сжатие, которые повторяли 4 раза для каждого размера ячеек пены титана. На рис. 2 показаны микрофотографии 3D-OM пенополиуретана с четырьмя размерами ячеек, которые составляют 25, 30, 35 и 40 ppi от (a) до (d) соответственно. На микрофотографиях видно, что пенополиуретан имеет многоугольную шарообразную структуру. По мере увеличения числа ppi слева направо пор / ячеек увеличивается для данной длины, следовательно, размер пор / ячеек становится меньше. Естественный цвет пенополиуретана — кремовый; однако эти пенополиуретаны были красными из-за добавления цветного пигмента. Фиг. 3 представляет собой фотографию соответствующих вспененных титанов, полученных из шаблонов вспененного полиуретана, показанных на фиг. 2. Структура вспененного титана повторяет структуру вспененного полиуретана. Первоначальная форма пенополиуретана представляла собой квадратную коробку, и пена титана сохраняла общую форму с меньшим размером из-за усадки при спекании.Уровни усадки составляли 3,8, 4,1, 5,1 и 5,8% для титановых пен, полученных с использованием пенополиуретана с размером ячеек 25, 30, 35 и 40 ppi соответственно. Размер ячеек пены титана становится меньше для пенополиуретана с более высоким ppi слева направо. На рис. 4 показаны микрофотографии 3D-OM «зеленой» пены титана или высушенной суспензии титана, которые были нанесены на соответствующие пенополиуретаны, показанные на рис. 2. Зеленая пена титана сохранила ту же структуру. Все стойки были покрыты титановым порошком, и большинство окон многоугольной ячейки оставались открытыми.Пропитка была относительно однородной, поскольку в каждом случае использовалась одна и та же суспензия титана. Следует отметить, что было сложнее пропитать и обеспечить, чтобы ячейки оставались открытыми для пенополиуретана с более высоким ppi, особенно для 40 ppi. Во время резки цилиндрических образцов проволокой на сжатие, некоторые засоры были обнаружены в пене титана, полученной с использованием пенополиуретана 40 ppi. На рис. 5 представлены микрофотографии спеченного пенопласта титана в 3D-OM. Структура пены титана повторяет структуру пенополиуретана, но после спекания размер ячеек становится немного меньше.Некоторые сферические поры наблюдались на стойках и особенно в углах, где стойки встречаются. Следует отметить, что значительно меньшее количество этих сферических пор наблюдалось в сырых образцах, как показано на рис. 4. При заливке суспензии в форму можно было наблюдать, что были пузырьки воздуха, внедренные под поверхностью, и очень небольшое количество этих пузырьков может всплыть на поверхность из-за поверхностного натяжения суспензии. После спекания эти пузырьки воздуха под поверхностью стали отчетливыми из-за расширения и образования пузырей.Пузырьки воздуха образовывались в процессе приготовления титановой суспензии, и их нельзя было легко удалить с помощью вакуума. Если время, используемое для вакуумного удаления пузырьков воздуха, было слишком большим, то могло произойти осаждение, и, следовательно, было невозможно добиться однородной пропитки. Измеренные значения кажущейся плотности и пористости спеченных пенопластов титана с использованием пенополиуретана с различным размером ячеек показаны на фиг. 6. По мере увеличения количества пор (ppi) кажущаяся плотность увеличивается, а пористость уменьшается.Это ожидается, поскольку в пенополиуретане с более высоким ppi для пропитки титановой суспензии было больше распорок на объем. Взаимосвязь между кажущейся плотностью / пористостью и числом ppi для пенополиуретана была нелинейной. Следует отметить, что наблюдаемые здесь уровни пористости были относительно высокими (86-92%), то есть относительная плотность находилась в диапазоне 8-14%, как показано на рис. 7. Соответствующие размеры ячеек для спеченного пенопласта титана, полученного с использованием различные размеры ячеек пенополиуретана также показаны на рис.7. Эквивалентный размер ячейки измеряли с помощью программного обеспечения для анализа изображений. Согласно характерной структуре пенопласта титана, были пятиугольники меньшего размера, которые соединялись и образовывали многоугольные шары большего диаметра. В этом исследовании диаметры типичных многоугольных шариков были измерены и усреднены для получения эквивалентного размера ячеек пены титана. Кроме того, также отображается средний размер более мелких полигонов. Если эти вспененные титановые материалы использовались в качестве материалов для высокотемпературных фильтров, диаметр более мелких многоугольников становится важным.Как средний размер ячеек, так и небольшой размер многоугольника демонстрируют сходные тенденции в том, что они уменьшаются с увеличением числа ppi в пенополиуретане. Это соответствует уровням относительной плотности и пористости. Следовательно, соотношение между размером ячеек пены титана и числом ppi для пенополиуретана также было нелинейным. Разница в диаметрах ячеек (многоугольный шар) и меньших многоугольников стала меньше по мере увеличения количества ppi в пенополиуретане. Используя измерения на 157 типичных многоугольных шарах, было установлено, что эквивалентный размер ячеек спеченной титановой пены с использованием 35 ppi пенополиуретана равен 1.44 мм со стандартным отклонением 0,13 (см. Рис. 7). Соответствующее распределение размеров клеток, которое находилось в диапазоне от 1,15 до 1,91 мм в диаметре, показано на рис. 8. У большинства популяции размер клеток составлял 1,45 — 1,53 мм. Распределение размеров клеток было несимметричным и слегка смещено в сторону меньших размеров (слева). Характерные кривые течения из испытаний на сжатие пены титана, полученной с использованием пенополиуретана с различными размерами ячеек, показаны на рис. 9. Кривые зависимости напряжения от деформации типичны для металлического пенопласта с открытыми ячейками с хорошей сжимаемостью и прочностью [11]. Хорошая сжимаемость и прочность пены титана были достигнуты за счет сведения к минимуму загрязнения во время производства пены титана [10,12]. Из результатов XRD, показанных на фиг. 10, наблюдались только пики, соответствующие α-титану. Среднее содержание углерода и кислорода с использованием метода сжигания …

(PDF) Микроструктура и механические свойства технически чистого титанового пеноматериала с различным размером ячеек, полученного методом пропитки по аналогии

nln ln ln

4

c

s

2

σ

σ

ρ

ρβ (

*

) = (*) +

()

Из рис.11 и 12 видно, что соотношение относительных механических свойств

и относительной плотности следует степенному закону

, поскольку прямая линия обеспечивает достаточно близкое совпадение для

обоих графиков. Из экспериментальных данных по титановым пенам в этой работе

были определены параметры материала,

an ,,

1

β

и

n

, и

сведены в таблицу 2 вместе с предлагаемыми значениями. из

Ashby et al.[13]. Экспериментально определенные

и

n

, связанные

с предельным напряжением, хорошо согласуются с работой Эшби и др.

. Однако экспериментально определенные

и

n1

, связанные с

с квазиупругим модулем, были значительно ниже значений, указанных в

Эшби и др. [13]. Показатели степени,

n1

и

n

, в модели Гибсона и

Эшби [11] относительно упрощены и были математически выведены с использованием одноосной равноосной структуры ячеек.Также

отмечает, что размеры ячеек не были уникальными, а были распределены, как в примере

, показанном на рис. 6. Кроме того, предыдущие исследователи повторно

перенесли значительно завышенное предсказание модуля квазиупругости

по модели Гибсона и Эшби [8,14]. Коэффициенты

и

,

были представлены как диапазон Эшби и др. [13] и коэффициенты

были эмпирически сопоставлены с экспериментальными данными для преимущественно полимерных пен

, а также для некоторых алюминиевых пен и никелевых пен. Эта работа

предполагает, что модель Гибсона и Эшби [11] действительна для определения предельного напряжения до

, но сильно завышает значения модуля упругости квази

.

5. Выводы

Четыре размера титановой пены CP были получены с использованием метода RI

. Пенополиуретан с размером ячеек 25-40 ppi с шагом

5 ppi использовался в качестве жертвенных шаблонов. Микроструктуры

показывают, что пена титана воспроизводит структуру шаблона из пенополиуретана

, но с меньшим размером ячеек из-за усадки при спекании.

Из микроструктурных наблюдений видно, что по мере увеличения числа ppi

размер ячейки становился меньше, кажущаяся плотность в-

увеличивалась, а пористость уменьшалась нелинейно. Распределение размера ячеек

было несимметричным и слегка искажено в сторону меньших размеров.

По результатам механических испытаний, когда число ppi in-

увеличивалось, квазиупругий модуль и предельное напряжение увеличивались.

Титановая пена с более высокой кажущейся плотностью выдерживает более высокие нагрузки

.Отношение относительных механических свойств и относительной плотности следует степенному закону. Экспериментальная экспонента

(

n1,49

2

=

) и коэффициент (

0,33

=

) закона масштабирования для предела

напряжения хорошо согласуются с гибсоном и Модель Эшби

(

n1.

2 =

5 и

=

0,1–10). С другой стороны, эксперимент составил

ponent (

n0.93

1

=

) и коэффициент

a0,04 (=

закона масштабирования

для квазиупругого модуля были значительно ниже, чем

модель Гибсона и Эшби

.

Авторы выражают благодарность Национальному технологическому центру по производству металлов и материалов

(MTEC) (номер гранта 430026223),

Таиланд и Taisei Kogyo (Таиланд) Co. , Ltd. за софинансирование проекта

и ДокторДжон Т. Пирсу (Panyapiwat Institute of Man-

agement) за вычитку и ценные советы.

Ссылки

[1] J. Banhart, Prog. Mater. Sci. 46 (2001) 559–632.

[2] H.P. Дегишер, Б.Крист (ред.), Справочник по клеточным металлам — производство, Pro-

cessing, Applications, Wiley-VCH, 2002.

[3] Т. Имвинкельрид, J. Biomed. Mater. Res. 75A (2007) 964–970.

[4] Н. Джа, Д.П. Мондал, Дж.Д. Маджумдар, А. Бадкул, А.К. Джа, А.К. Харе, Матер. Des.

47 (2013) 810–819.

[5] J.P. Li, S.H. Ли, К. де. Groot, P. Layrolle, Key Eng. Mater. 240–242 (2003)

547–550.

[6] J.-H. Ли, Х.-Э. Ким, Ю.-Х. Ко, Матер. Lett. 63 (2009) 1995–1998.

[7] М. Амирджан, Х. Хорсанд, Powder Technol. 245 (2014) 12–21.

[8] A. Manonukul, M. Tange, P. Srikudvien, N. Denmud, P. Wattanapornphan,

Powder Technol. 206 (2014) 120–13 4.

[9] J.P. Li, C.A. Ван Блиттерсвейк, К.Де Гроот, J. Mater. Науки: Матер. Med. 15 (2004)

951–958.

[10] М. Танге, А. Манонукул, П. Срикудвин, Mater. Sci. Англ. 641A (2015) 54–61.

[11] Л.Дж. Гибсон, М.Ф. Эшби, Ячеистое твердое тело: структура и свойства, второе издание,

Cambridge University Press, 1999.

[12] С. Малленс, И. Тайс, Дж. Койманс, Дж. Луйтен, Титан, титановый сплав и NiTi

пены с высокой пластичностью, патент № EP 1 888 275 B1, 2006.

[13] MFЭшби, А.Г. Эванс, Н.А. Флек, Л.Дж. Гибсон, Дж. Хатчинсон, H.N.G. Wadley,

Metal Foams: A Design Guide, Batterworth-Heinemann, 2000.

[14] B. Ye, C. Danand, Mater. Sci. Англ. А 528 (2010) 691–697.

Таблица 2

Законы масштабирования для пеноматериала.

Константы материала Текущая работа Ashby et al.

[13]

0,04 0,1–4,0

n1

0,93 2

0,33 0,1–1,0

n

2

1,49 1.5

A. Manonukul et al. / Материаловедение и инженерия A 650 (2016) 432–437 437

Специалисты Фраунгофера разрабатывают эндоскелетные имплантаты из пены титана • Регистр

Титан — в наши дни он повсюду, давно распространившись за пределы своего первоначального использования в аэрокосмической отрасли. В него помещают ноутбуки Fruitbite, из него делают высококлассные инструменты и столовые приборы, есть даже украшения.

Новинка в области эндоскелетов из пенопласта.

Титановый сплав также используется для медицинских имплантатов и хорошо известен в этой роли.Но кажется, что чудо-металл — прочный, как сталь, но вдвое меньший по весу, — неудобно жесткий. Человеческая кость, которую он заменяет, более гибкая, и сверхжесткие титановые замены могут привести к атрофии соседних костей, освобожденных от нагрузок, которые обычно оказывались бы на них из-за их податливых соседей, из-за отсутствия работы. Также нормальный титановый имплант, хотя он часто хорошо соединяется с костью, к которой прикреплен, может вырваться.

Войдите в безжалостные немецкие кумиры из институтов Фраунгофера, чьей терпимости к неудовлетворительным ситуациям, как известно, не существует. Они говорят, что пришли с новой блестящей технологией в виде титановой «пены».

Титановая пена не только гибкая, как кость, но и живые кости легче склеиваются, по мнению безжалостных ученых-фраунгоферов из Института фертигунгстехники и английских материалов (IFAM) и Института керамических технологий и систем (IKTS).

«Таким образом, механические свойства вспененного титана очень близки к свойствам человеческой кости», — сообщает доктор-инженер Питер Квадбек из IFAM.«Это в первую очередь касается баланса между чрезвычайной прочностью и минимальной жесткостью».

«TiFoam» изготавливается путем замачивания обычной полиуретановой пены в растворе, содержащем мелкодисперсный порошок титана. Затем все, кроме титана, подвергается жесткому испарению, а порошок спекается вместе, образуя металлическую копию исходного полиуретана.

Согласно заявлению IFAM, коммерческий партнер Fraunhoferites заявляет, что «скоро» он разработает костные имплантаты из TiFoam.