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医用镁锂钙合金及其涂层的耐蚀性研究

作　者: 孔令鸿
导　师: 曾荣昌；刘成龙
学　校: 重庆理工大学
专　业: 材料学
关键词: 镁锂钙合金生物材料模拟人体体液腐蚀表面改性
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

金属材料作为近几十年来最成功的硬组织植入材料,在修复或替换骨组织的生物材料方面扮演着重要角色。但目前常用的不锈钢、钛合金、钴镍合金等医用金属材料在生物相容性和力学相容性上存在一定缺陷,且不可降解。医用镁基生物材料具有优良的生物力学性能,生物相容性和可降解性,是一种具有广阔前景的新型人体植入材料。然而,镁合金耐蚀性较差,过快的降解速率制约了其在临床应用上的研究和发展。因此近年来镁合金在模拟人体体液中的腐蚀和保护成为国内外的研究热点。本课题制备的新型Mg-Ca、Mg-Li-Ca和Mg-Li-Ca-Y合金,并进行挤压变形处理,分别使用浸涂和电沉积的方法在其表面进行了制备了硅烷涂层和Ca-P涂层。通过浸泡腐蚀实验、析氢和动电位电化学实验研究了Mg-Ca和Mg-Li-Ca合金及其表面涂层在Hank’s人体模拟体液中的腐蚀行为。考察了热挤压前后合金耐蚀性的变化,探讨了Ca、Li、Y元素对镁合金腐蚀性能的影响,研究了涂层的成膜机理及腐蚀保护效果。采用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察了合金组织、腐蚀形貌和涂层形貌,使用能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等表面技术分析了合金、涂层以及腐蚀产物等的成分和结构。研究表明,镁合金在挤压变形过程中发生了动态再结晶,晶粒细化,第二相弥散分布,改善了耐蚀性。Ca元素具有细化晶粒的作用,对提高镁合金的耐蚀性有一定帮助,但当Ca含量超过一定范围时形成更多的Mg2Ca相,会加重微电偶腐蚀导致腐蚀速率快速升高。Mg-Li-Ca合金极化曲线的腐蚀电流密度较大,但随着浸泡时间的延长,腐蚀产物的致密度升高,有效降低了镁合金在Hank’s溶液中的腐蚀速率。合金中加入Y元素后,表面形成致密的氧化膜,提高了阴极析氢阻力,明显改善了镁合金的耐蚀性。硅烷预处理工艺提高了Mg-Ca合金的开路电位,缩小了三种Mg-Ca合金在Hank’s溶液中的腐蚀行为差异,在一定程度上提高了Mg-Ca合金的耐腐蚀性。利用电沉积法在Mg-Li-Ca合金表面制备Ca-P涂层,涂层的Ca/P原子比为0. 70~0. 79,Ca-P涂层明显提高了合金基体的耐蚀性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-23
  1.1 引言  10
  1.2 医用镁合金研究现状  10-11
  1.3 提高医用镁合金耐蚀性的途径  11-18
    1.3.1 镁合金生物涂层  11-17
    1.3.2 材料合金化  17
    1.3.3 非晶化  17
    1.3.4 加工技术  17-18
  1.4 人体环境中影响镁合金耐蚀性的主要因素  18-21
    1.4.1 体液成分的复杂性  18-20
    1.4.2 体液流动效应  20
    1.4.3 植入材料生物学行为  20-21
  1.5 医用镁合金植入应用存在的问题  21-22
  1.6 课题的提出和研究意义  22
  1.7 本课题的研究内容和目的  22-23
  1.8 本课题研究的创新点  23
2 实验材料、设备和工艺  23-28
  2.1 实验材料  23-24
  2.2 实验试剂  24
  2.3 实验方案  24-25
  2.4 实验方法  25-28
    2.4.1 挤压工艺  25
    2.4.2 金相观察  25
    2.4.3 浸泡实验  25-27
    2.4.4 腐蚀形貌观察及成分分析  27
    2.4.5 电化学测量  27-28
3 加工工艺对合金耐蚀性的影响  28-34
  3.1 前言  28
  3.2 Mg-1.21Li-1.21Ca-1.0Y 合金的显微组织观察  28-29
  3.3 Mg-1.21Li-1.21Ca-1.0Y 合金在Hank’s 溶液中腐蚀行为  29-32
    3.3.1 浸泡试验  29-31
    3.3.2 电化学试验  31-32
  3.4 讨论  32-33
  3.5 小结  33-34
4 合金元素 Ca、Li、Y 对镁合金耐蚀性的影响  34-61
  4.1 前言  34-35
  4.2 Ca 元素对镁合金耐蚀性的影响  35-42
    4.2.1 Mg-Ca 合金的显微组织观察  35-36
    4.2.2 Mg-Ca 合金在Hank’s 溶液中的腐蚀行为  36-40
    4.2.3 Mg-Ca 合金的腐蚀形貌观察  40-41
    4.2.4 Ca 对镁合金耐蚀性影响的讨论  41-42
  4.3 Li 元素对镁合金耐蚀性的影响  42-51
    4.3.1 挤压态Mg-1.26Li-0.56Ca 合金的显微组织观察  42-43
    4.3.2 Mg-1.26Li-0.56Ca 合金在Hank’s 溶液中的腐蚀行为  43-46
    4.3.3 Mg-1.26Li-0.56Ca 合金的腐蚀形貌观察  46-48
    4.3.4 Li 元素对镁合金耐蚀性影响的讨论  48-51
  4.4 Y 元素对镁合金耐蚀性的影响  51-60
    4.4.1 Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y 合金的显微组织观察  51-52
    4.4.2 Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y 合金在Hank’s 溶液中的腐蚀行为  52-55
    4.4.3 Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y 合金的腐蚀形貌观察  55-57
    4.4.4 Y 元素对镁合金耐蚀性影响的讨论  57-60
  4.5 小结  60-61
5 硅烷预处理对镁钙合金耐蚀性的影响  61-71
  5.1 前言  61
  5.2 硅烷预处理工艺  61-64
  5.4 Mg-Ca 合金表面 8%浓度硅烷涂层在 Hank’s 溶液中的腐蚀行为  64-67
  5.5 硅烷预处理试样腐蚀形貌观察  67-68
  5.6 讨论  68-70
    5.6.1 硅烷涂层的成膜机理  68-69
    5.6.2 硅烷溶液浓度对膜层质量的影响  69
    5.6.3 硅烷涂层的耐蚀性  69-70
  5.7 小结  70-71
6 Mg-Li-Ca 合金表面 Ca-P 涂层的腐蚀研究  71-79
  6.1 前言  71
  6.2 Ca-P 涂层制备  71-72
  6.3 涂层形貌观察  72-74
  6.4 涂层在 Hank’s 溶液中的腐蚀行为  74-76
    6.4.1 浸泡试验  74-75
    6.4.2 电化学行为  75-76
  6.5 腐蚀形貌观察  76-77
  6.6 讨论  77-78
  6.7 小结  78-79
7 结论  79-81
参考文献  81-87
致谢  87-88
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果  88

医用镁锂钙合金及其涂层的耐蚀性研究

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