答辩博士：梁绘昕

指导教师：田宗军教授

论文题目：骨植入物仿生结构与增强钛基材料激光选区熔化基础研究

答辩委员会

主席：蒋  青  教授  南京大学

委员：孙凌云  教授  南京大学

      徐  锋  教授  南京理工大学

      云乃彰  教授  南京航空航天大学

      刘志东  教授  南京航空航天大学

      田宗军  教授  南京航空航天大学

      沈理达  教授  南京航空航天大学

秘书：邱明波  副教授  南京航空航天大学

时间：2019年10月23日15:30

地点：南航明故宫校区15号楼341会议室

学位论文简介：

骨植入物具有激增的市场需求。钛基骨植入物仍存在弹性模量不能自由设计、骨整合能力差、钛合金存在毒性金属离子、纯钛机械性能不理想等问题。可以加工复杂多孔结构又能够制备颗粒掺杂钛基复合材料的激光选区熔化技术在钛基骨植入物领域表现出了巨大的应用潜力。多孔结构的引入可以实现钛基材料弹性模量的自由设计，并改善骨整合能力。颗粒掺杂增强的方法也为提高纯钛材料的机械性能提供了一种思路。但是面向钛基骨植入物的SLM技术的应用仍然存在许多基础问题，具体涉及设备、结构、材料、工艺、性能等诸多方面。本文在完成自主SLM成形系统搭建的基础上，开展了“成形机理及工艺→多孔结构的设计与制备+颗粒掺杂钛基材料的匹配与制备→生物相容性”一体化研究。

论文主要完成的工作及取得的成果如下：

（1）利用模块化思路搭建了面向钛基骨植入物的开放式SLM试验平台，在完成功能调试的基础上开展了SLM成形Ti-6Al-4V的基础工艺试验。

（2）从热输入和散热两个方面讨论了体能量密度和零件几何特征尺寸影响SLM成形质量的机理和规律。

（3）基于SLM技术构建了应用于骨植入物领域的Ti-6Al-4V类骨小梁多孔结构，阐述了SLM技术在制备多孔结构方面的工艺特点，分析了所提出的利用可控随机种子集结合Voronoi图的方法所设计的不规则多孔结构在形态学、机械力学、生物学性能方面的仿生特性。

（4）从成形工艺、微观组织、性能三个方面研究了基于SLM工艺制备的亚微米级完全稳定氧化锆颗粒增强型钛基复合材料。

（5）通过体外和体内生物试验验证了类骨小梁多孔结构和氧化锆掺杂钛基材料的生物学性能。

主要创新点如下：

（1）揭示了体能量密度作为评判SLM成形质量指标的适用性，从理论上解释了当扫描速度过小或过大时，体能量密度不再适合作为判断SLM成形质量变化趋势的指标。

（2）发现并阐述了SLM成形过程中的尺寸效应，即SLM制零件的几何特征尺寸通过影响已成形部分散热条件来影响最终的成形质量。

（3）提出了子空间阵列生成可控随机点集并利用Voronoi图原理构建类骨小梁仿生多孔结构的方法。