具有特定结构和功能的多孔材料广泛存在于自然界和工业应用领域,其特殊的几何、物理、力学和生物学特性一直是相关领域的研究热点。在医用植入体领域,多孔结构被引入以解决“应力屏蔽”问题并实现“金属-骨”界面的生物学固定。由于骨微观结构的不规则特性,传统上规则均一的多孔结构设计方法难以满足多孔力学可控、结构仿生的特殊要求。本文基于泰森多边形原理,提出一种基于概率球模型的可控不规则多孔结构设计方法,通过激光选区熔化技术制备了多孔结构,对多孔结构的力学性能进行了测试。本文具体的研究内容有:(1)可控多孔结构设计。泰森多边形原理是一种空间划分原理,其形态由种子点的数量和空间分布决定。本文提出一种基于“概率球”模型的可控种子点分布的方法,种子点在概率球区域内随机分布,其不规则度受概率球直径控制。基于这一设计思想,本文在参数化设计平台Grasshopper上进行了可控多孔结构的设计。本文提出的方法可以实现具有特定孔隙率和梯度孔隙结构的可控设计,满足多孔结构在形态和几何参数上的设计要求。此外,本文提出的正向设计方法也为拓扑优化设计、仿生设计计、轻量化设计、复合材料设计提供一种可行的思路。(2)可控多孔结构基本几何参数分析。可控多孔结构的基本几何参数有不规则度、孔隙率、孔径和孔棱直径。确定基本几何参数的表征方法,采用统计学方法分析几何参数与设计参数之间的关系及其分布规律,分析了梯度结构孔隙率梯度的控制方法和分布规律。研究结果表明,可控多孔结构的基本几何参数可控性良好。通过改变孔径系数、种子点数量可以实现孔隙率从60%到95%的大范围调节;通过改变概率球直径,可以实现不规则度从0到0.51可控变化。(3)激光选区熔化制备多孔结构工艺研究。利用激光选区熔化技术制备块体结构,以致密度为优化目标,以激光功率、扫描速度、扫描间距为优化对象进行了正交试验,优化的工艺参数为:P=200 W,v=1200 mm/s,h=0.08 mm。拉伸实验结果表明,利用优化工艺制备的矩形样件的屈服强度、抗拉强度和延伸率均大于ASTM F136标准要求。同时,利用优化工艺制备了不同直径的简化多孔结构测试模型,分析了多孔结构的缺陷和微观组织。结果表明,在优化的工艺参数条件下,可以加工水平杆的内部缺陷明显多于竖直杆和45°倾斜杆,其表面质量也明显低于竖直杆和45°倾斜杆。优化工艺制备的简化多孔结构制件的金相组织为马氏体组织,呈网篮状分布。(4)可控多孔结构制件力学性能测试。利用优化的工艺制备了孔隙率和不规则度两个系列的多孔结构,利用准静态压缩试验测试了多孔结构的表观弹性模量和极限压缩强度。测试结果表明,在同一不规则度水平下(0.5),孔隙率在63.18%~91.86%区间内,表观弹性模量变化范围为0.14~2.37 GPa,极限强度变化范围为1.94~116.61 MPa。孔隙率与表观弹性模量和极限强度两者的均存在幂函数关系,与Gibson-Ashby公式吻合良好。在同一孔隙率水平下(85.5%),不规则度变化范围在0.11~0.5区间内,表观弹性模量变化范围为0.91~1.35 GPa,极限强度变化范围为27.59~33.05 MPa。随着不规则度的增大,表观弹性模量近似线性地降低,极限强度则呈现先降低后增大然后趋于稳定的趋势。梯度多孔结构的压缩曲线存在弹性、平台和密实化三个阶段,与均匀多孔结构不同的是,应力平台随应变的增大不断上扬,孔隙率梯度越大上扬的角度越大。通过与人体骨小梁和目前应用最成功的多孔钽金属的能的对比发现,本文设计的多孔结构覆盖骨小梁孔隙率范围,弹性模量与骨小梁和多孔钽金属接近,强度大于多孔钽金属接近骨小梁强度最大值,可以满足医用植入体要求。通过医工结合跨学科研究,有望成为新一代3D打印骨科植入物实验样品。