梯度多孔結構設計及其疲勞性能研究

供稿人:董恩純 王玲

鈦合金擁有良好的機械性能與生物相容性，配合多孔結構的設計可以減輕應力遮擋帶來的影響，并且可以通過設計梯度多孔結構來改善多孔結構的力學性能，使之更加符合人體力學環(huán)境，3D打印技術為多孔與梯度多孔結構的制備提供了可能，因此現(xiàn)在鈦合金已經被廣泛應用于醫(yī)療領域。但是目前對于多孔結構的研究主要集中在多孔單元的設計以及靜力學性能上，疲勞性能的研究相對較少，因此為了保證多孔結構在使用時的安全，研究多孔的疲勞性能與疲勞損傷機制是十分必要的。

中科院的研究人員通過改變菱形十二面體單胞中的支柱傾斜角度與尺寸，設計了三種變形結構G1、G2、G3，分別研究了這三種結構的壓縮性能，并且通過將這三種結構進行組合，設計了一種梯度結構，研究了其疲勞性能與疲勞損傷機制。

圖1 (a)-(c)為三種多孔單元結構，(d)為梯度多孔結構設計

壓縮實驗發(fā)現(xiàn)，三種結構的等效模量為在15.8-23.9GPa，之間，并且G1>G2>G3。接下來，根據ASTM E466-07標準，對梯度結構進行了疲勞試驗，并通過X射線斷層掃描（XRT）對觀察了樣件在1000N，2000N和3000N時的裂紋形成情況。可以看出，裂紋沒有出現(xiàn)在梯度交接處，而是首先出現(xiàn)在了最硬的G1處，并且隨著壓力的不斷增大，裂紋逐漸向較軟的G2與G3處擴展。并通過觀察其應變累計發(fā)現(xiàn)，其應變的累計速率可以分為三個階段，并且其速率是不斷增加的。

圖2 疲勞實驗中梯度多孔結構裂紋擴展情況

進而，根據這些現(xiàn)象，作者提出了梯度多孔結構的疲勞損傷機理模型：即根據梯度多孔結構的等效模量關系，等效模量較大的區(qū)域承受較大的應力，因此會首先出現(xiàn)裂紋，但是隨著裂紋的產生，其等等效模量會逐漸下降，當其接近下一級多孔結構的等效模量時，應力會逐漸轉移到下一級多孔結構上去，以此類推，應力級級傳遞，不斷重新分配，并且高強度網格中的裂紋擴展可以通過低強度網格中的應力再分布來抑制，直至破壞。

根據這一理論，作者設計了一種雙層結構，外層為等效模量較高的立方體結構，內層為較軟的結構，因此這種結構實現(xiàn)了既有較高的疲勞強度（~70MPa）和較高的能量吸收率（~50MJ/Mg）。

圖3 雙層結構模型

本研究針對臨床中應用較為廣泛地菱形十二面體多孔單元，通過結構參數(shù)調整，設計出了一種梯度多孔結構，并通過力學實驗研究了該梯度多孔結構的壓縮疲勞性能，并提出了梯度多孔結構壓縮疲勞損傷理論，該理論對指導梯度多孔結構的設計具有重要的意義。

參考文獻：
S. Zhao et al. Compressive and fatigue behavior of functionally graded Ti-6Al-4V meshes fabricated by electron beam melting. Acta Materialia. 2018,150, 1-15.

供稿人:董恩純 王玲 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室