生物材料镁基合金的开发及其表面改性涂层研究

摘要

镁及其合金由于具有良好的生物特性，机械性能与人体骨骼相近，最重要的是镁合金可以在人体生理环境中被腐蚀、吸收并且对人体无毒害作用。将其作为功能植入材料应用具有诱人的前景。但是镁的化学性质活泼，在含氯的生理环境中腐蚀速度很快，在没有完成其骨支撑、固定功能时就已经失去其机械完整性，对病患的康复不利。提高镁合金在生理环境中的耐腐蚀性能成为将其开发应用的一个关键问题。元素合金化是解决镁腐蚀性能差的有效方法之一。本文通过在镁中添加锆、钙、锶和锡合金元素制备出不同的Mg-Zr、Mg-Zr-Ca、Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金。用阴极极化法在Mg-Ca-Sr-Sn合金表面制备Mg(OH)2薄膜，然后用溶胶。凝胶法在阴极极化处理过的Mg-Ca-Sr-Sn合金表面制备了TiO2涂层。借助金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等，通过表面形貌分析、电化学分析、浸泡实验等方法对所制备的材料进行了分析研究。
　　结果显示镁锆合金主要由Mg相和单体锆组成，锆元素的加入对镁的机械力学性能有很大的调节作用。镁锆钙合金主要由Mg相、Mg2Ca相，还有少量的Zr相组成。且Mg2Ca相主要分布在晶界处。电化学腐蚀实验和浸泡实验中，Mg-Zr-Ca合金都显示了良好的耐腐蚀性，并且在浸泡产物分析时发现，腐蚀产物主要为Mg(OH)2，同时还有少量的HA。不同量的Sr和Sn加入镁锆合金中，对镁合金的表面组织结构有很大的影响。实验发现会在晶粒内部形成新的相Mg2Sn，Mg2Sn的量随着Sr和Sn加入量的增加而增加。电化学和浸泡结果都显示，随着Sr和Sn加入量的增加，材料的耐腐蚀性能有了明显的提高，认为Mg2Sn可以显著提高材料的耐腐蚀性能。在经0.1M的Mg(NO3)2·6H2O溶液阴极极化处理的Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金表面生成了致密、均匀的Mg(OH)2薄膜，并在上面多次重复制备二氧化钛膜，电化学结果显示，有二氧化钛薄膜保护的Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的腐蚀电位明显变高，腐蚀电流密度明显降低。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 生物植入材料的性能及发展

1.2.1 硬组织修复和替换材料

1.2.2 临床医用金属材料

1.2.3 生物降解材料

1.3 生物镁及镁合金材料

1.3.1 镁及镁合金的生物特性

1.3.2 提高镁合金耐腐蚀性能的方法

1.4 本文研究的主要目的、内容和意义

第2章 Mg-Zr合金及在SBF中的腐蚀行为

2.1 前言

2.2 实验过程

2.2.1 Mg-Zr合金的制备

2.2.2 微观组织结构表征

2.2.3 硬度测试

2.2.4 电化学测试

2.2.5 浸泡测试及组织结构表征

2.3 结果及讨论

2.3.1 Mg-Zr合金的XRD分析

2.3.2 Mg-Zr合金的显微组织分析

2.3.3 Mg-Zr合金的显微硬度分析

2.3.4 Mg-Zr合金的电化学测试

2.3.5 Mg-Zr合金的浸泡及结果分析

2.4 讨论

2.5 本章结论

第3章 Mg-Zr-Ca合金的组织结构及其腐蚀性能

3.1 前言

3.2 实验过程

3.2.1 Mg-Zr-Ca合金的制备

3.2.2 表面金相组织结构表征

3.2.3 显微硬度测试

3.2.4 电化学测试

3.2.5 浸泡测试及表面组织结构表征

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 Mg-Zr-Ca合金的XRD分析

3.3.2 Mg-Zr-Ca合金的显微组织分析

3.3.3 Mg-Zr-Ca的显微硬度分析

3.3.4 Mg-Zr-Ca合金的电化学腐蚀

3.3.5 Mg-Zr-Ca合金的浸泡实验分析

3.4 讨论

3.5 本章结论

第4章 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的制备及在SBF中的腐蚀行为

4.1 前言

4.2 实验过程

4.2.1 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的制备

4.2.2 表面组织结构表征

4.2.3 显微硬度测试

4.2.4 电化学测试

4.2.5 浸泡测试及表面组织结构表征

4.3 实验结果及其分析

4.3.1 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn的XRD分析

4.3.2 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的显微组织分析

4.3.3 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的显微硬度分析

4.3.4 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的电化学测试

4.3.5 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金的浸泡结果分析

4.4 讨论

4.5 本章结论

第5章 阴极极化及其TiO2涂层在SBF中的腐蚀行为

5.1 前言

5.2 实验过程

5.2.1 Mg-Zr-Ca-Sr-Sn合金阴极极化处理

5.2.2 二氧化钛溶胶的制备

5.2.3 二氧化钛涂层的制备

5.2.4 电化学测试

5.3 实验结果与分析

5.3.1 二氧化钛涂层的表面SEM分析

5.3.2 二氧化钛涂层的电化学测试

5.4 讨论

5.5 本章结论

结论与展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)