生物医用镁合金表面电沉积硅烷改性研究

摘要

镁合金具有优异的力学相容性、生物相容性和可降解性，在临床医学领域中有广阔的应用前景，但过快的腐蚀速度严重制约了其医学应用。金属表面硅烷化是近年来迅速发展起来的一种绿色环保型腐蚀防护技术，在不锈钢、铝合金及镁合金等多种金属材料表面已成功应用。本文采用电化学辅助沉积（电沉积）方法对AZ31B镁合金进行硅烷化处理，通过电化学工作站、扫描电子显微镜、能谱仪等仪器设备及体外模拟降解实验，研究了KH-560、KH-570和BTSE三种硅烷在沉积过程中的最佳添加量，并横向比较了相同电沉积工艺下三种硅烷膜对镁合金耐蚀性能的影响;在三种硅烷各自最佳添加量的基础上，分别添加纳米二氧化硅颗粒和铈盐离子对三种硅烷膜进行改性，研究了改性前后硅烷膜耐蚀性能的变化。经研究发现:
　　采用电沉积方法在AZ31B镁合金表面成功制备出了KH-560、KH-570和BTSE三种硅烷膜。48h体外模拟体液浸泡降解实验表明，三种硅烷膜均能有效延缓镁合金的降解速率，硅烷膜优先发生点腐蚀，其中KH-570硅烷膜厚度最大、结构致密且较为均匀，其耐蚀性能最佳。动电位极化曲线测试表明，镁合金表面电沉积三种硅烷膜后，自腐蚀电位提高，自腐蚀电流密度大幅度下降。KH-560、KH-570和BTSE三种硅烷在镁合金表面电沉积处理过程中存在最佳添加量，分别为6ml、8ml、4ml。镁合金经KH-560、KH-570和BTSE三种硅烷电沉积处理后具有相似阻抗谱特征:在Nyquist图中，高频区和中低频区各有一个容抗弧，前者半径更大，而最低频段裸镁合金所具有的感抗弧消失;在阻抗-频率Bode图中，硅烷化处理后低频阻抗值大幅增大，耐蚀性能有效提升;在相位角-频率Bode图中，三种硅烷在各自最佳添加量下低频相位角值较大，峰值趋向于低频范围，而在中频区和高频区，硅烷化使得相位角值稳定提升，表明膜层中Si-O-Si键和Mg-O-Si键结合紧密。采用ZSimpWin电化学分析软件建立了表面硅烷化镁合金的等效电路模型(ECM)，发现最佳添加量下，KH-570硅烷膜层Cc值稳定在10-7 F·cm-2量级，硅烷膜层厚度最大，耐蚀性能最佳。
　　添加纳米二氧化硅颗粒或铈盐离子改性物质，能够进一步提升KH-560、KH-570和BTSE三种硅烷膜对AZ31B镁合金耐腐蚀性能的改进效果。与纳米二氧化硅颗粒相比，铈盐离子具有更显著的改性作用，其可以通过电化学辅助沉积与硅烷膜起到协同作用，使硅烷膜层具有一定的自修复能力，有效增加膜层厚度、降低膜层孔隙率。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 镁合金医学应用中存在的问题及解决办法

1．2．1 镁合金医学应用中存在的问题

1．2．2 镁合金表面改性方法

1．3 金属表面硅烷化处理的研究进展

1．3．1 硅烷化处理作用机理及方法

1．3．2 电化学辅助沉积硅烷处理

1．3．3 表面硅烷化处理研究现状

1．3．4 镁合金表面硅烷化处理研究进展

1．4 研究目的及研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第二章 实验材料和方法

2．1 实验基材

2．2 化学试剂及仪器

2．3 实验技术路线图

2．4 实验方案

2．4．1 样品制备

2．4．2 微观组织结构及性能表征

第三章 电沉积硅烷膜对镁合金耐蚀性能的影响

3．1 KH-560硅烷膜

3．1．1 电沉积制备与微观形貌观察

3．1．2 电化学性能及腐蚀形貌

3．2 KH-570硅烷膜

3．2．1 电沉积制备与微观形貌观察

3．2．2 电化学性能及腐蚀形貌

3．3 BTSE硅烷膜

3．3．1 电沉积制备与微观形貌观察

3．3．2 电化学性能及腐蚀形貌

3．4 本章小结

第四章 镁合金表面电沉积硅烷膜的改性研究

4．1 添加二氧化硅纳米颗粒对硅烷膜的改性研究

4．1．1 KH-560硅烷膜

4．1．2 KH-570硅烷膜

4．1．3 BTSE硅烷膜

4．1．4 添加二氧化硅纳米颗粒对不同硅烷膜改性效果的对比

4．2 添加铈盐离子对硅烷膜的改性研究

4．2．1 KH-560硅烷膜

4．2．2 KH-570硅烷膜

4．2．3 BTSE硅烷膜

4．2．4 添加铈盐离子对不同硅烷膜改性效果的对比

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

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