一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，包括变幅杆和内部充满模拟体液的环境管，所述变幅杆一端置于环境管内，其中，变幅杆置于环境管内的一端连接待测件，另一端能够与超声加速疲劳试验装置相连。该装置通过模拟人体生理环境，能够准确测试出金属植入材料在人体环境中的超高周疲劳性能。
【专利说明】
一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置
技术领域
[0001] 本发明属于疲劳试验设备领域，涉及到一种超声加速疲劳试验设备，特别涉及到 一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置。
【背景技术】
[0002] 金属植入物长期甚至终生留在体内，人体在进行正常的生理活动时，金属植入物 的力学行为在本质上是动态的，并且会经历较高周次的循环应力作用，比如髋关节每年要 经历约3.5 X 106次的循环应力，心脏每年要跳动约4 X 107次，牙种植体每年要承受约1 X 107 次循环载荷作用。另外，植入物处于生理环境中，受到人体体液的化学腐蚀，导致腐蚀疲劳。 化学腐蚀和循环机械载荷的共同作用是造成植入假体早期断裂的主要原因。因此，获得金 属植入材料在生理环境下的超高周疲劳性能，可为植入材料的设计和确保植入材料的可靠 性、安全性以及对植入物在服役生理环境中进行评估和寿命预测提供有利的科学依据和关 键技术支持。
[0003] 目前常用的用于生物材料测试的疲劳试验系统的加载频率都低于100Hz，要实现 1〇8周次以上的超高周疲劳测试，若采用传统的20Hz电液伺服疲劳试验机，测试1个试样大 约需要2个月，而采用超声振动加速疲劳试验装置，则只需要1.4个小时，可以大大缩短实验 周期，降低实验成本。
[0004] 现有的超声振动加速疲劳试验装置只能测试金属植入材料在常规大气环境中的 超高周疲劳性能，而无法测试在人体环境中金属植入物的超高周疲劳性能，因此测试出的 金属植入物的超高周疲劳性能准确度不高，参考价值较低，限制了金属植入材料技术的进 一步发展。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明公开一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装 置，该装置通过模拟人体生理环境，能够准确测试出金属植入材料在人体环境中的超高周 疲劳性能。
[0006] 本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现： 一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，包括变幅杆和内部充满模拟体液 的环境管，所述变幅杆一端置于环境管内，其中，变幅杆置于环境管内的一端连接待测件， 另一端能够与超声加速疲劳试验装置相连。
[0007]所述环境管为U形管，在环境管与变幅杆相连的一端设有管盖，另一端设置有管 塞，所述变幅杆固定在管盖上且一端穿过管盖，所述环境管上还设置有进液口和排液口。使 环境管处于密封状态，避免杂质或气体的干扰，利于模拟更加真实的人体环境。
[0008]所述进液口连接一根运输管一，排液口连接一根运输管二，所述运输管一连接一 个水栗，运输管二连接一个储液箱，且水栗与储液箱通过运输管三相连，所述水栗还与一个 流速控制器相连。流速控制器用于调节和控制流速，使环境管内模拟体液的流动更接近于 人体体液的流动，提升测试的准确性，同时避免因模拟体液流速过大对待测件造成一定物 理冲击，改变其运动方式，干扰试验造成测试结果产生偏差。
[0009] 所述储液箱上固定有一个自动恒温加热棒，在储液箱上表面靠近水栗的一侧固定 一个温度计，该温度计下端置于储液箱内，用于观测储液箱内温度。
[0010] 所述自动恒温加热棒包括加热区和控制区，控制区置于储液箱顶部，通过控制区 可实现对加热温度的设置和调节，所述加热区穿过储液箱外壁置于储液箱内，加热温度为 20~50°C，优选为36~37°C，调节精度为±0.5°C。
[0011] 所述管盖与变幅杆通过螺钉连接，环境管通过螺纹与管盖连接。
[0012] 所述运输管一、运输管二和运输管三为PEX管，安全环保，不会对模拟体液造成污 染而影响测试的准确度。
[0013] 所述管塞和管盖上均设有排气孔，所述排气孔内设有与其匹配的密封塞。排气孔 的设置有利于将模拟体液填充到环境管中，当环境管内充满模拟体液后利用密封塞密封环 境管，避免模拟体液被空气污染，并模拟出真实人体的密闭环境，提升测试的准确度。
[0014] -直以来，对于金属植入物超高周疲劳性能的测试，均采用在空气中直接测试待 测件的超高周疲劳性能，也有极少数的试验将待测件在生理盐水中浸泡后再置于空气中测 试，测试的结果与实际金属植入物的在人体内的疲劳性能有较大出入，因此难以准确预测 金属植入物在人体内使用寿命，对于制造和设计金属植入物的选材的参考价值较低，严重 阻碍了人工植入材料的研究和发展。
[0015] 本发明
【申请人】出于提高金属植入物疲劳性能测试准确度的目的，设计了一种能够 运用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，不同于以往直接将待测件置于空气环境中 测试，也不同于将待测件浸泡于生理盐水后再测试，本申请中的待测件能够始终置于循环 流动的模拟体液中测试其超高周疲劳性能，由于人体体液中的多种物质均会对金属待测件 造成化学腐蚀，这是一个长期而复杂的相互作用过程，而不仅仅是Na+和C1-的作用，利用本 申请中的生理环境模拟装置能够有效模拟出接近人体体液的内环境，使待测件置于其中并 测试其超高周疲劳性能，测出的结果更加接近真实人体内的金属植入物的疲劳性能和寿 命。具有很高的参考价值，可有效促进金属植入材料技术的进一步研究和发展。
[0016] -种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置的应用，包括如下步骤： (1) 将变幅杆与超声加速疲劳试验装置相连，然后将待测件固定于变幅杆上，所述待测 件为Ti6A17Nb合金或Ti6A14V合金或TAMZ合金或其他金属材料，再利用管塞和带有变幅杆 的管盖密封环境管； (2) 将环境管与储液箱以及水栗相连，设置好储液箱上自动恒温加热棒的加热温度，待 储液箱温度达到设定值后，设置好流速控制器的流速，启动水栗，使储液箱内的模拟体液充 满整个环境管； (3) 启动超声加速疲劳试验装置，测试待测件在模拟体液环境中的超高周疲劳性能。
[0017] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果： (1)通过设置环境管和变幅杆，使待测件能够在模拟体液环境中测试其超高周疲劳性 能，测试的结果更接近于金属植入物在人体中的疲劳寿命，具有更高的参考价值，进一步促 进金属植入材料技术的发展； (2 )通过设置储液箱和水栗，使模拟体液能够循环流动，维持环境管内的离子处于平衡 态，更符合人体的内环境，提高测试结果的准确度； (3)通过设置自动恒温加热棒，使模拟体液维持在人体体温状态，进一步提升测试结果 的准确性。
【附图说明】
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中： 图1为本发明结构示意图； 图2为本发明实施例1测试结果示意图； 图3为本发明实施例2测试结果示意图； 附图中标记及对应的零部件名称： 1-变幅杆，2-环境管，21-管盖，22-管塞，23-进液口，24-排液口，3-待测件，4-运输管 一，5-运输管二，6-水栗，7-储液箱，71-自动恒温加热棒，72-温度计，73-加热区，74-控制 区，8-运输管三，9-流速控制器，10-排气孔。
【具体实施方式】
[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本 发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作 为对本发明的限定。
[0020] 实施例1 如图1所示，一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，包括变幅杆1和内部 充满模拟体液的环境管2,所述变幅杆1 一端置于环境管2内，其中，变幅杆1置于环境管2内 的一端连接待测件3，另一端能够与超声加速疲劳试验装置相连。
[0021] 所述环境管2为U形管，在环境管2与变幅杆1相连的一端设有管盖21，另一端设置 有管塞22,所述变幅杆1固定在管盖21上且一端穿过管盖21，所述环境管2上还设置有进液 口 23和排液口 24。
[0022]所述进液口 23连接一根运输管一 4，排液口 24连接一根运输管二5，所述运输管一 4 连接一个水栗6,运输管二5连接一个储液箱7,且水栗6与储液箱7通过运输管三8相连，所述 水栗6还与一个流速控制器9相连。
[0023]所述储液箱7上固定有一个自动恒温加热棒71，在储液箱7上表面靠近水栗6的一 侧固定一个温度计72,该温度计72下端置于储液箱7内。
[0024]所述自动恒温加热棒71包括加热区73和控制区74,控制区74置于储液箱7顶部，通 过控制区74可实现对加热温度的设置和调节，所述加热区73穿过储液箱7外壁置于储液箱7 内，加热温度为20~50°C，优选为36~37°C，调节精度为±0.5°C。
[0025]所述管盖21与变幅杆1通过螺钉连接，环境管2通过螺纹与管盖21连接。
[0026] 所述运输管一 4、运输管二5和运输管三8为PEX管。
[0027]所述管塞22和管盖21上均设有排气孔10,所述排气孔10内设有与其匹配的密封 塞。
[0028] -种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置的应用，包括如下步骤： (1) 将变幅杆与超声加速疲劳试验装置相连，然后将待测件固定于变幅杆上，本实施例 采用的待测件为Ti6A17Nb合金或Ti6A14V合金，再利用管塞和带有变幅杆的管盖密封环境 管； (2) 将环境管与储液箱以及水栗相连，设置好储液箱上自动恒温加热棒的加热温度，本 实施例设置加热温度为37°C，待储液箱温度达到设定值后，设置好流速控制器的流速，启动 水栗，使储液箱内的模拟体液充满整个环境管； (3) 启动超声加速疲劳试验装置，测试待测件在模拟体液环境中的超高周疲劳性能。
[0029] 步骤(2)所述模拟体液的主要成分如下表：
本实施例将大量的Ti6A17Nb合金或Ti6A14V合金分别各自浸置在空气环境和模拟体液 环境中，经超声加速疲劳试验后，测得各待测件的超高周疲劳性能，并据此绘制出Ti6A17Nb 合金和Ti6A14V合金分别各自在空气环境和模拟体液环境中拟合的S-N曲线。
[0030] 测试结果如图2所示，图2具体为Ti6A17Nb合金以及Ti6A14V合金分别各自在空气 环境和模拟体液环境中的S-N曲线，分别表示各自在空气环境和模拟体液环境中的应力与 疲劳寿命之间关系的曲线。
[0031] 其中，hSTieAWV合金在空气环境中的S-N曲线，12为Ti6A14V合金在模拟体液环 境中的S-N曲线，1 3为Ti6A17Nb合金在空气环境中的S-N曲线，14为Ti6A17Nb合金在模拟体液 环境中的S-N曲线，横坐标108处的竖直线为标尺线，用于对比不同材料在相同或不同实验 环境下，待测件达到指定周次即108次时的疲劳强度，可直观有效地对比出不同材料在同种 环境下的超高周疲劳性能，为制作金属植入物时的选材提供依据和参考。
[0032]由测试结果可知，Ti6A14V合金在模拟体液环境中的超高周疲劳性能显著低于其 在空气环境中的超高周疲劳性能，Ti6A17Nb合金在模拟体液环境中的超高周疲劳性能显著 低于其在空气环境中的超高周疲劳性能，这是由于在空气中Ti6A14V合金和Ti6A17Nb合金 仅仅只受到循环机械载荷的作用，而在模拟体液环境中，Ti6A14V合金和Ti6A17Nb合金不仅 受到循环机械载荷的作用，还受到模拟体液的化学腐蚀作用，加速其疲劳破坏，因此置于模 拟体液环境中的金属待测件的超高周疲劳性能显著低于置于空气环境中的金属待测件。 [0033] S-N曲线12为具有一个弯折的折线，出现弯折的地方为疲劳破坏呈现不同机理的 分界线。由于钛合金本身有较强的抗腐蚀性，表面容易生成氧化膜，当Ti6A14V合金置于空 气环境中，其表面氧化膜未被破坏，所以对钛合金的超高周疲劳性能没有影响，因而其S-N 曲线h为一条直线。但是当其置于模拟体液环境中，由于机械载荷的作用，可能会导致氧化 膜破坏，材料同时受到化学腐蚀与机械载荷的作用，正是由于他们之间的相互作用导致疲 劳性能显著降低，出现拐点的原因是因为当荷载降低到一定值时，氧化膜变得不太容易破 坏，且随着荷载的进一步降低，氧化膜的破坏程度也越来越低，氧化膜内部保护的金属材料 受到的化学腐蚀越来越弱，因而待测件的疲劳寿命相比于拐点前就增长了，出现了近似水 平的直线段。另一方面，由于氧化膜变得越来越难以破坏，模拟体液对待测件超高周疲劳性 能的影响越来越小，因此可以预测，当荷载降到足够低时，如果氧化膜完全不能破坏，待测 件在模拟体液中的超高周疲劳性能最终将与在空气环境中测得的结果一致，从图1中1:和1 2 即将交汇于一点的趋势可预测。
[0034] 实施例2 如图1所示，一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，包括变幅杆1和内部 充满模拟体液的环境管2,所述变幅杆1 一端置于环境管2内，其中，变幅杆1置于环境管2内 的一端连接待测件3，另一端能够与超声加速疲劳试验装置相连。
[0035] 所述环境管2为U形管，在环境管2与变幅杆1相连的一端设有管盖21，另一端设置 有管塞22,所述变幅杆1固定在管盖21上且一端穿过管盖21，所述环境管2上还设置有进液 口 23和排液口 24。
[0036]所述进液口 23连接一根运输管一 4，排液口 24连接一根运输管二5，所述运输管一 4 连接一个水栗6,运输管二5连接一个储液箱7,且水栗6与储液箱7通过运输管三8相连，所述 水栗6还与一个流速控制器9相连。
[0037]所述储液箱7上固定有一个自动恒温加热棒71，在储液箱7上表面靠近水栗6的一 侧固定一个温度计72,该温度计72下端置于储液箱7内。
[0038]所述自动恒温加热棒71包括加热区73和控制区74,控制区74置于储液箱7顶部，通 过控制区74可实现对加热温度的设置和调节，所述加热区73穿过储液箱7外壁置于储液箱7 内，加热温度为20~50°C，优选为36~37°C，调节精度为±0.5°C。
[0039] 所述管盖21与变幅杆1通过螺钉连接，环境管2通过螺纹与管盖21连接。
[0040] 所述运输管一 4、运输管二5和运输管三8为PEX管。
[0041] 所述管塞22和管盖21上均设有排气孔10,所述排气孔10内设有与其匹配的密封 塞。
[0042] -种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置的应用，包括如下步骤： (1) 将变幅杆与超声加速疲劳试验装置相连，然后将待测件固定于变幅杆上，所述待测 件为Ti6A17Nb合金或Ti6A14V合金或TAMZ合金，再利用管塞和带有变幅杆的管盖密封环境 管； (2) 将环境管与储液箱以及水栗相连，设置好储液箱上自动恒温加热棒的加热温度，本 实施例设置加热温度为36°C，待储液箱温度达到设定值后，设置好流速控制器的流速，启动 水栗，使储液箱内的模拟体液充满整个环境管； (3) 启动超声加速疲劳试验装置，测试待测件在模拟体液环境中的超高周疲劳性能。
[0043] 所述模拟体液的主要成分如下表：
本实施例将大量的TAMZ合金分别浸置在空气环境和模拟体液环境中，经超声加速疲劳 试验后，测得各待测件的超高周疲劳性能，并据此绘制出TAMZ合金在空气环境和模拟体液 环境中拟合的S-N曲线。
[0044] 测试结果如图3所示，图3具体为TAMZ合金分别在空气环境和模拟体液环境中的的 S-N曲线，分别表不TAMZ合金试件在空气环境和模拟体液环境中的应力与疲劳寿命之间关 系的曲线。
[0045]其中，15为TAMZ合金在空气环境中的S-N曲线，16为TAMZ合金在模拟体液环境中的 S-N曲线，横坐标2 X108处的竖直线为标尺线，用于对比不同材料在相同或不同实验环境 下，待测件达到指定周次即2X10 8次时的疲劳强度，可直观有效地对比出不同材料在同种 环境下的超高周疲劳性能，为制作金属植入物时的选材提供依据和参考。
[0046]由测试结果可知，TAMZ合金在模拟体液环境中的超高周疲劳性能显著低于其在空 气环境中的超高周疲劳性能，这是由于在空气中TAMZ合金仅仅只受到循环机械载荷的作 用，而在模拟体液环境中，TAMZ合金不仅受到循环机械载荷的作用，还受到模拟体液的化学 腐蚀作用，加速其疲劳破坏，因此置于模拟体液环境中的金属待测件的超高周疲劳性能显 著低于置于空气环境中的金属待测件。
[0047] S-N曲线16为具有一个弯折的折线，出现弯折的地方为疲劳破坏呈现不同机理的 分界线。由于TAMZ合金本身有较强的抗腐蚀性，表面容易生成氧化膜，当TAMZ合金置于空气 环境中，其表面氧化膜未被破坏，所以对TAMZ合金的超高周疲劳性能没有影响，因而其S-N 曲线1 5为一条直线。但是当其置于模拟体液环境中，由于机械载荷的作用，可能会导致氧化 膜破坏，材料同时受到化学腐蚀与机械载荷的作用，正是由于他们之间的相互作用导致疲 劳性能显著降低，出现拐点的原因是因为当荷载降低到一定值时，氧化膜变得不太容易破 坏，且随着荷载的进一步降低，氧化膜的破坏程度也越来越低，氧化膜内部保护的金属材料 受到的化学腐蚀越来越弱，因而待测件的疲劳寿命相比于拐点前就增长了，出现了近似水 平的直线段。另一方面，由于氧化膜变得越来越难以破坏，模拟体液对待测件超高周疲劳性 能的影响越来越小，因此可以预测，当荷载降到足够低时，如果氧化膜完全不能破坏，待测 件在模拟体液中的超高周疲劳性能最终将与在空气环境中测得的结果一致，从图3中1 5和16 即将交汇于一点的趋势可预测。
[0048]综上所述，将本发明中的生理环境模拟装置利用于超声加速疲劳试验中，可以大 大提高金属植入物在人体中的超高周疲劳性能测试的准确度，提升金属植入物的超高周疲 劳性能测试的参考价值，能够有效促进金属植入材料技术的进一步发展。
[0049]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明 的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征在于:包括变幅杆和环 境管，所述变幅杆一端置于环境管内。2. 根据权利要求1所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征 在于:所述环境管为U形管，在环境管与变幅杆相连的一端设有管盖，另一端设置有管塞，所 述变幅杆一端穿过管盖。3. 根据权利要求1或2所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特 征在于:所述环境管上还设置有进液口和排液口。4. 根据权利要求3所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征 在于:所述进液口连接一根运输管一，排液口连接一根运输管二，所述运输管一连接一个水 栗，运输管二连接一个储液箱，且水栗与储液箱通过运输管三相连。5. 根据权利要求4所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征 在于:所述储液箱上固定有一个自动恒温加热棒，在储液箱上表面靠近水栗的一侧固定一 个温度计，该温度计下端置于储液箱内。6. 根据权利要求5所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征 在于:所述自动恒温加热棒的加热温度为20~50°C，调节精度为±0.5° C。7. 根据权利要求5所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征 在于:所述水栗还与一个流速控制器相连。8. 根据权利要求7所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置，其特征 在于:所述管塞和管盖上均设有排气孔，所述排气孔内设有与其匹配的密封塞。9. 如权利要求1~8中任一项所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装 置的应用，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将变幅杆与超声加速疲劳试验装置相连，然后将待测件固定于变幅杆上，再利用管 塞和带有变幅杆的管盖密封环境管； (2) 将环境管与储液箱以及水栗相连，设置好储液箱上自动恒温加热棒的加热温度，待 储液箱温度达到设定值后，设置好流速控制器的流速，启动水栗，使储液箱内的模拟体液充 满整个环境管； (3) 启动超声加速疲劳试验装置，测试待测件在模拟体液环境中的超高周疲劳性能。10. 根据权利要求9所述的一种应用于超声加速疲劳试验的生理环境模拟装置的应用， 其特征在于:所述待测件为Ti6A17Nb合金或Ti6A14V合金或TAMZ合金或其他金属材料。
【文档编号】G01N17/00GK106092792SQ201610580048
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月22日 公开号201610580048.3, CN 106092792 A, CN 106092792A, CN 201610580048, CN-A-106092792, CN106092792 A, CN106092792A, CN201610580048, CN201610580048.3
【发明人】刘永杰, 杨昆, 王清远, 李久楷, 何超, 王聪
【申请人】四川大学