鈦合金擁有良好的機(jī)械性能與生物相容性，配合多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以減輕應(yīng)力遮擋帶來(lái)的影響，并且可以通過(guò)設(shè)計(jì)梯度多孔結(jié)構(gòu)來(lái)改善多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使之更加符合人體力學(xué)環(huán)境，3D打印技術(shù)為多孔與梯度多孔結(jié)構(gòu)的制備提供了可能，因此現(xiàn)在鈦合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。但是目前對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)的研究主要集中在多孔單元的設(shè)計(jì)以及靜力學(xué)性能上，疲勞性能的研究相對(duì)較少，因此為了保證多孔結(jié)構(gòu)在使用時(shí)的安全，研究多孔的疲勞性能與疲勞損傷機(jī)制是十分必要的。
     中科院的研究人員通過(guò)改變菱形十二面體單胞中的支柱傾斜角度與尺寸，設(shè)計(jì)了三種變形結(jié)構(gòu)G1、G2、G3，分別研究了這三種結(jié)構(gòu)的壓縮性能，并且通過(guò)將這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了一種梯度結(jié)構(gòu)，研究了其疲勞性能與疲勞損傷機(jī)制。

圖1 (a)-(c)為三種多孔單元結(jié)構(gòu)，(d)為梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       壓縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三種結(jié)構(gòu)的等效模量為在15.8-23.9GPa，之間，并且G1>G2>G3。接下來(lái)，根據(jù)ASTM E466-07標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并通過(guò)X射線斷層掃描（XRT）對(duì)觀察了樣件在1000N，2000N和3000N時(shí)的裂紋形成情況?？梢钥闯觯鸭y沒(méi)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(kuò)展。并通過(guò)觀察其應(yīng)變累計(jì)發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)變的累計(jì)速率可以分為三個(gè)階段，并且其速率是不斷增加的。

圖2 疲勞實(shí)驗(yàn)中梯度多孔結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展情況

    進(jìn)而，根據(jù)這些現(xiàn)象，作者提出了梯度多孔結(jié)構(gòu)的疲勞損傷機(jī)理模型：即根據(jù)梯度多孔結(jié)構(gòu)的等效模量關(guān)系，等效模量較大的區(qū)域承受較大的應(yīng)力，因此會(huì)首先出現(xiàn)裂紋，但是隨著裂紋的產(chǎn)生，其等等效模量會(huì)逐漸下降，當(dāng)其接近下一級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的等效模量時(shí)，應(yīng)力會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到下一級(jí)多孔結(jié)構(gòu)上去，以此類推，應(yīng)力級(jí)級(jí)傳遞，不斷重新分配，并且高強(qiáng)度網(wǎng)格中的裂紋擴(kuò)展可以通過(guò)低強(qiáng)度網(wǎng)格中的應(yīng)力再分布來(lái)抑制，直至破壞。
       根據(jù)這一理論，作者設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu)，外層為等效模量較高的立方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為較軟的結(jié)構(gòu)，因此這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了既有較高的疲勞強(qiáng)度（~70MPa）和較高的能量吸收率（~50MJ/Mg）。

圖3 雙層結(jié)構(gòu)模型

      本研究針對(duì)臨床中應(yīng)用較為廣泛地菱形十二面體多孔單元，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，設(shè)計(jì)出了一種梯度多孔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了該梯度多孔結(jié)構(gòu)的壓縮疲勞性能，并提出了梯度多孔結(jié)構(gòu)壓縮疲勞損傷理論，該理論對(duì)指導(dǎo)梯度多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：
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.