CN116121843A - 一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备及方法，属于材料表面加工技术领域，包括制备容器，制备容器内具有工作腔，制备容器工作腔上部设置电化学系统阴极部分，制备容器工作腔底部设置电化学系统阳极部分；所述电化学系统阴极部分包括作为阴极电极的电解液喷嘴或铂电极，电化学系统阳极部分包括作为阳极电极的NiTi合金试样，由电解液喷嘴和NiTi合金试样配合进行电化学射流加工，由铂电极和NiTi合金试样配合进行电化学脱合金处理。

Description

一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备及方法

技术领域

本发明属于材料表面加工技术领域，具体涉及一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，随着科学技术的发展和对功能表面结构及器件的迫切需求，许多科学家都在积极开展新材料和新功能表面结构设计制备的研究，而材料的结构设计制备方法往往是开发新材料与开辟新领域的基础。通过在常规材料表面融合多尺度结构的设计思路与优化制备，可以实现材料表面功能化，提高材料在不同应用背景下的服役性能。目前对于表面多尺度结构的研究已经深入到微纳米尺度范畴，所研究材料逐步应用于清洁能源、摩擦学、热传导、生物医学以及先进制造等领域。然而，目前材料表面多尺度结构的制备多依赖于高精度多轴数控机床或激光加工等方式，虽然可获得较高的加工精度和质量一致性，但加工工艺路线相对复杂，依托设备昂贵，制备成本高。

镍钛合金是一种具有形状记忆效应、超弹性、生物相容性、耐腐蚀性等特殊物理力学性能的功能材料，广泛应用于航空航天、微机电系统等领域。因其密度和弹性模量与骨相似、无磁性、具有良好的射线不透性，也已成为常用的人体植入体材料。对NiTi合金表面进行多尺度结构制备，可在不改变基体整体性能的前提下实现新的特定功能，如促进骨增值、增强细胞在植入体表面的黏附及具有抗污性能等。

发明人发现，镍及其化合物对人体有潜在的毒性，会影响氨基酸代谢、使蛋白质变性，具有细胞毒性和遗传毒性，影响免疫、血液等系统，甚至致畸、致癌。过量镍离子常会引起局部组织过敏反应。随着研究逐渐深入，镍离子的溶出的问题备受关注，使镍钛合金在生物医学领域的进一步应用受到限制。因此，实现镍钛合金表面镍离子的去除，对镍钛合金材料的发展具有重要的应用和经济价值。目前常采用在镍钛合金材料表面制备涂层的方式减少镍钛合金中毒性镍离子的释放，但涂层与镍钛合金间物性差异大，结合力差，容易造成过早失效。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备及方法，该设备将NiTi合金电化学射流加工的宏观尺度结构成型与电化学脱合金的无镍微纳米多孔结构进行有效结合，实现NiTi合金多尺度表面结构的一步法高效制备。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，包括制备容器，制备容器内具有工作腔，制备容器工作腔上部设置电化学系统阴极部分，制备容器工作腔底部设置电化学系统阳极部分；所述电化学系统阴极部分包括作为阴极电极的电解液喷嘴或铂电极，电化学系统阳极部分包括作为阳极电极的NiTi合金试样，由电解液喷嘴和NiTi合金试样配合进行电化学射流加工，由铂电极和NiTi合金试样配合进行电化学脱合金处理。

作为进一步的技术方案，所述电化学系统阴极部分还包括阴极电极夹，阴极电极夹底部与电解液喷嘴或铂电极连接，电解液喷嘴或铂电极竖向设置，电解液喷嘴或铂电极正对于NiTi合金试样上方。

作为进一步的技术方案，所述阴极电极夹安装于移动平台，移动平台设置于制备容器工作腔上部，移动平台可进行三维移动，由移动平台带动，电解液喷嘴进行空间移动，实现NiTi合金表面层的电化学射流加工。

作为进一步的技术方案，所述阴极电极夹还与电解液供给装置连接，电解液供给装置提供的电解液可通过阴极电极夹进入电解液喷嘴喷出或直接进入工作腔内。

作为进一步的技术方案，所述电解液供给装置包括储存电解液的电解液清液箱，电解液清液箱通过电解液输送管道与阴极电极夹连通，电解液输送管道设置电解液供给动力装置。

作为进一步的技术方案，所述制备容器下方设置电解液浊液箱，制备容器的工作腔底部开设排出口，排出口通过管道与电解液浊液箱连通；工作腔的排出口处可设置阻流塞，以封堵排出口。

作为进一步的技术方案，所述电化学系统阳极部分还包括阳极电极夹，阳极电极夹夹紧NiTi合金试样，阳极电极夹固定于试样安装平台顶部，试样安装平台设置于制备容器的工作腔底部；所述电化学系统阴极部分与加工电源的阴极连接，电化学系统阳极部分与加工电源的阳极连接，加工电源和电压电流控制装置连接。

第二方面，本发明还提供了一种采用如上所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备的制备方法，包括以下步骤：

以NiTi合金试样为阳极，以电解液喷嘴为阴极组成电化学系统，对NiTi合金表面层进行电化学射流加工，得到含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面；以NiTi合金试样为阳极，以铂电极为阴极组成电化学系统，对加工后的NiTi合金表面进行电化学脱合金处理，通过镍元素去除，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构。

作为进一步的技术方案，电化学射流加工的过程为：由电解液供给装置向阴极电极夹提供电解液，电解液从电解液喷嘴中喷出；NiTi合金试样作为阳极，电解液喷嘴作为阴极，电解液喷嘴通过移动平台的移动实现对NiTi合金表面层的电化学射流加工，根据预设图案，获得含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面。

作为进一步的技术方案，电化学脱合金处理过程为：将电解液喷嘴从阴极电极夹取下，由电解液供给装置向阴极电极夹提供电解液，流入工作腔内，再将铂电极安装在阴极电极夹，并保证电解液没过铂电极端部；铂电极作为阴极，NiTi合金试样作为阳极，施加电压，通过镍元素的去除，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构。

上述本发明的有益效果如下：

本发明的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，通过电解液喷嘴和NiTi合金试样配合形成电化学系统进行电化学射流加工，通过铂电极和NiTi合金试样配合形成电化学系统进行电化学脱合金处理，在宏观尺度结构成型与微纳米多孔结构的制备过程中，均采用电化学的方式，实现NiTi合金多尺度表面结构的一步法高效制备，方法简单，制备效率高，具有良好的经济价值。

本发明的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，采用电化学脱合金的方式制备微纳米多孔表面，实现了NiTi合金表面有毒镍元素的去除，使具有多尺度表面结构的NiTi合金应用于生物医学相关领域成为可能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备在电化学射流加工时的示意图；

图2为本发明NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备在电化学脱合金处理时的示意图；

图3为本发明NiTi合金多尺度功能表面结构的金相图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1移动平台，2电化学系统阴极部分，201阴极电极夹，202电解液喷嘴，203铂电极，3电化学系统阳极部分，301NiTi合金试样，302阳极电极夹，303试样安装平台，4电解液供给装置，401电解液输送管道，402电解液供给动力装置，403电解液清液箱，404电解液浊液箱，405电解液，406阻流塞，5加工电源，6电压电流控制装置，7工作腔，8制备容器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提出一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，包括移动平台1、电化学系统阴极部分2、电化学系统阳极部分3、电解液供给装置4、加工电源5、电压电流控制装置6、工作腔7。

该制备设备具有制备容器8，制备容器8内具有工作腔7，在工作腔7中制备NiTi合金多尺度功能表面结构。

移动平台1设置于制备容器8内上部，移动平台可进行三维移动，其三维移动的实现采用现有技术，在此不再赘述。

其中，电化学系统阴极部分2包括阴极电极夹201，阴极电极夹201底部与电解液喷嘴202或铂电极203连接。电解液喷嘴202或铂电极203竖向设置，其正对于电化学系统阳极部分3上方设置。电解液喷嘴202与阴极电极夹201通过螺纹连接作为阴极电极，电解液供给装置4提供的电解液可通过阴极电极夹201进入电解液喷嘴202喷出；铂电极203亦可与阴极电极夹201通过螺纹连接作为阴极电极。

阴极电极夹201安装于移动平台1上，由移动平台1的带动，可使电解液喷嘴202进行上下、左右的空间移动，实现NiTi合金表面层的电化学射流加工。

其中，电化学系统阳极部分3包括阳极电极夹302、试样安装平台303，试样安装平台303设置于制备容器8的工作腔7底部，试样安装平台303顶部固定设置阳极电极夹302，阳极电极夹302夹紧NiTi合金试样301，使NiTi合金试样通过阳极电极夹夹紧固定于试样安装平台上作为阳极电极。

阳极电极正对于阴极电极下方设置，电化学系统阴极部分2与加工电源5的阴极连接，电化学系统阳极部分3与加工电源5的的阳极连接，加工电源5和电压电流控制装置6连接，电压电流控制装置6可以控制电化学系统的施加电压和电流，根据需要进行调控。

其中，电解液供给装置4包括电解液输送管道401、电解液供给动力装置402、电解液清液箱403、电解液浊液箱404、电解液405、阻流塞406，电解液清液箱403用以储存电解液，电解液清液箱403通过电解液输送管道401与阴极电极夹201连通，阴极电极夹201与电解液喷嘴202连通，电解液输送管道401设置电解液供给动力装置402，电解液清液箱403中的电解液405在电解液供给动力装置402提供的动力下通过电解液输送管道401流入阴极电极夹201并从电解液喷嘴202中喷出或直接流入工作腔7内。

电解液浊液箱404设置于制备容器8下方，制备容器8的工作腔7底部开设排出口，排出口通过管道可与电解液浊液箱404连通，用以排出电解液浊液；工作腔7的排出口处可设置阻流塞406，以封堵排出口，用以进行电化学脱合金处理。

实施例2：

本发明的另一种典型的实施方式中，提出一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备方法，该制备方法利用如上所述的制备设备进行，该制备方法的具体过程如下：

以NiTi合金试样为阳极，以电解液喷嘴为阴极组成电化学系统，对NiTi合金表面层进行电化学射流加工，得到含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面；以NiTi合金试样为阳极，以铂电极为阴极组成电化学系统，对加工后的NiTi合金表面进行电化学脱合金处理，通过镍元素去除，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构。

其中，电化学射流加工是通过电解液供给动力装置402为电解液清液箱403中的电解液405提供动力，使其通过电解液输送管道401流入阴极电极夹201从电解液喷嘴202中喷出，电解液喷嘴202通过移动平台1的移动实现对NiTi合金表面层的电化学射流加工，根据预设图案，获得含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面。加工过程中，使用过的电解液通过管道流入电解液浊液箱404。

其中，电化学脱合金处理过程为：首先用阻流塞406将流入电解液浊液箱404的管道堵住，防止电解液外流；把电解液喷嘴202从阴极电极夹201上取下，将电解液清液箱403中的电解液405在电解液供给动力装置402提供的动力下通过电解液输送管道401流入工作腔7内，再将铂电极203安装在阴极电极夹201上，并保证流入的电解液405要没过铂电极203端部；最后，加工电源5通电，铂电极203作为阴极，NiTi合金试样301仍为阳极，施加电压，一段时间后通过镍元素的去除，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

NiTi合金多尺度功能表面结构的制备过程，具体包括以下步骤：

(1)NiTi合金试样301预处理：将NiTi合金试样301用金相纸逐级研磨抛光，先后放入丙酮、无水乙醇、蒸馏水中分别超声清洗15min，烘干备用；

(2)对步骤(1)备好的试样进行电化学射流加工：配制浓度分别为0.5～2mol/L、0.5～1mol/L、0.1～0.4mol/L的HNO₃、H₂O₂、CaCl₂混合溶液作为电解液405，通过电解液供给动力装置402为电解液清液箱403中的电解液405提供动力，使其通过电解液输送管道401流入阴极电极夹201从电解液喷嘴202中喷出，所采用的喷射压力是2～10MPa，加工电压为5～20V，电解液喷嘴202通过移动平台1的移动实现对NiTi合金表面层的电化学射流加工，加工轨迹为横竖直线扫描，获得含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面；加工过程中，使用过的电解液通过管道流入电解液浊液箱404；

(3)对步骤(2)备好的试样进行脱合金处理：首先用阻流塞406将流入电解液浊液箱404的管道堵住，防止电解液405外流；并把电解液喷嘴202从阴极电极夹201上取下，再将电解液清液箱403中的电解液405在电解液供给动力装置402提供的动力下通过电解液输送管道401流入工作腔7内，再将铂电极203安装在阴极电极夹201上，保证流入的电解液要没过铂电极203端部；最后，加工电源5通电，铂电极203作为阴极，NiTi合金试样301仍为阳极，施加的电压为1.5～1.9V，脱合金时间为1～5h，脱合金后的试样用蒸馏水清洗、烘干，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构，如图3所示。

采用该方法所制备的宏观尺度微槽尺寸在100μm-500μm之间，无镍微纳米孔隙结构的孔径在50nm-300nm之间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，包括制备容器，制备容器内具有工作腔，制备容器工作腔上部设置电化学系统阴极部分，制备容器工作腔底部设置电化学系统阳极部分；所述电化学系统阴极部分包括作为阴极电极的电解液喷嘴或铂电极，电化学系统阳极部分包括作为阳极电极的NiTi合金试样，由电解液喷嘴和NiTi合金试样配合进行电化学射流加工，由铂电极和NiTi合金试样配合进行电化学脱合金处理。

2.如权利要求1所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，所述电化学系统阴极部分还包括阴极电极夹，阴极电极夹底部与电解液喷嘴或铂电极连接，电解液喷嘴或铂电极竖向设置，电解液喷嘴或铂电极正对于NiTi合金试样上方。

3.如权利要求2所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，所述阴极电极夹安装于移动平台，移动平台设置于制备容器工作腔上部，移动平台可进行三维移动，由移动平台带动，电解液喷嘴进行空间移动，实现NiTi合金表面层的电化学射流加工。

4.如权利要求2所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，所述阴极电极夹还与电解液供给装置连接，电解液供给装置提供的电解液可通过阴极电极夹进入电解液喷嘴喷出或直接进入工作腔内。

5.如权利要求4所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，所述电解液供给装置包括储存电解液的电解液清液箱，电解液清液箱通过电解液输送管道与阴极电极夹连通，电解液输送管道设置电解液供给动力装置。

6.如权利要求5所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，所述制备容器下方设置电解液浊液箱，制备容器的工作腔底部开设排出口，排出口通过管道与电解液浊液箱连通；工作腔的排出口处可设置阻流塞，以封堵排出口。

7.如权利要求1所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备，其特征是，所述电化学系统阳极部分还包括阳极电极夹，阳极电极夹夹紧NiTi合金试样，阳极电极夹固定于试样安装平台顶部，试样安装平台设置于制备容器的工作腔底部；所述电化学系统阴极部分与加工电源的阴极连接，电化学系统阳极部分与加工电源的阳极连接，加工电源和电压电流控制装置连接。

8.采用如权利要求1-7任一项所述的NiTi合金多尺度功能表面结构制备设备的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

以NiTi合金试样为阳极，以电解液喷嘴为阴极组成电化学系统，对NiTi合金表面层进行电化学射流加工，得到含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面；以NiTi合金试样为阳极，以铂电极为阴极组成电化学系统，对加工后的NiTi合金表面进行电化学脱合金处理，通过镍元素去除，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征是，电化学射流加工的过程为：由电解液供给装置向阴极电极夹提供电解液，电解液从电解液喷嘴中喷出；NiTi合金试样作为阳极，电解液喷嘴作为阴极，电解液喷嘴通过移动平台的移动实现对NiTi合金表面层的电化学射流加工，根据预设图案，获得含有宏观尺度微槽的NiTi合金表面。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征是，电化学脱合金处理过程为：将电解液喷嘴从阴极电极夹取下，由电解液供给装置向阴极电极夹提供电解液，流入工作腔内，再将铂电极安装在阴极电极夹，并保证电解液没过铂电极端部；铂电极作为阴极，NiTi合金试样作为阳极，施加电压，通过镍元素的去除，在以上宏观尺度微槽表面进一步生成无镍微纳米孔隙结构。

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