AZ31镁合金在模拟人体环境中的腐蚀行为研究

摘要

镁及其合金具有比强度高、密度小以及生物相容性好的特点，作为生物医用材料有很大潜力。镁合金较差的抗腐蚀性能限制了其在机械工程领域的应用，却为一种可在人体内安全降解的生物医用材料的开发提供了基本思路：将镁合金医疗器械，例如镁合金接骨钉或镁合金血管支架。植入人体后，该植入器件会随着病变组织的愈合逐渐降解直至消失。但是已有镁合金在人体环境中的腐蚀速度过快，需要进一步控制。 本文通过考察Hank's模拟体液中主要阴离子对A231镁合金腐蚀行为的影响，研究了镁合金在Hank's模拟体液中的腐蚀机理，这对于设计有针对性的控制腐蚀速度的方案具有重要意义。本文通过测量A231变形态镁合金在不同成分的腐蚀环境中的平均腐蚀速度，发现Hank's模拟体液对镁合金的腐蚀主要是在氯离子点蚀作用下的局部腐蚀；通过测量镁合金样品在腐蚀期间析出氢气的量随时间变化的曲线，发现Hank's模拟体液中的H2PO4-和HPO42-具有很强的缓蚀作用，可以引起镁合金的钝化，因此用生理盐水研究镁合金在人体环境中的腐蚀速度会引起较大的误差；通过测量镁合金样品在具有不同pH值的Hank's模拟体液中的电化学极化曲线，发现Hank's模拟体液pH值的升高可以提高镁合金腐蚀反应的自腐蚀电位，降低腐蚀反应的热力学倾向，稳定腐蚀过程中形成的钝化膜，从而降低了腐蚀速度。另外，本文通过扫描电子显微镜和表面形貌仪等表面形貌测量仪器，研究了镁合金丝状腐蚀的形貌特点。 采用金相显微镜观察显微组织，XRD测定相组成，失重法计算镁合金样品在Hank's模拟体液中的腐蚀速率，扫描电镜观察腐蚀形貌，动电位极化曲线表征极化行为。本文通过上述实验比较了A231变形态与铸态镁合金的腐蚀行为，讨论了镁合金的腐蚀机理。结果表明：腐蚀初期，A231变形态镁合金的耐蚀性优于A231铸态镁合金，其原因主要是A231铸态镁合金中第二相的自腐蚀电位比基体的自腐蚀电位高，加速了合金的腐蚀。腐蚀一段时间后，A231铸态镁合金的耐蚀性优于A231变形态镁合金。原因是随着腐蚀时间延长，A231铸态镁合金试样表层的Q基体不断被溶解，表面膜中较耐腐蚀的富Al相体积分数增大，在试样表面形成了一层网状结构的富Al相保护屏障，阻碍了腐蚀的进行，降低了腐蚀速度。因此，连续分布的β相能够提高A231镁合金的耐蚀性。 最后，本文通过有限元分析方法，对支架支撑筋撑开后的塑性变形分布情况进行模拟，发现支撑筋内侧的塑性变形程度远大于支撑筋的外侧，导致了支撑筋内侧优先腐蚀。因此，撑开后镁合金支架的腐蚀情况与支架各处的塑性变形程度有关。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1生物材料简介

1.2镁合金可降解生物医用材料的研究现状

1.3血管内支架介入手术的发展和现状

1.4冠状动脉支架的研究进展

1.4.1冠状动脉支架对材料的基本要求

1.4.2冠状动脉支架基体材料

1.4.3冠状动脉支架的结构

1.5镁合金冠状动脉支架简介

1.5.1镁合金可降解支架概念的提出

1.5.2镁合金可降解支架的研究进展

1.5.3镁合金作为新型冠状动脉支架材料存在的主要问题

1.6本文研究目的及主要研究内容

2实验设备及方法

2.1 实验材料

2.2实验试剂

2.3实验设备与仪器列表

2.4腐蚀速度测量方法

2.4.1浸泡失重法

2.4.2浸泡集氢气法

2.5电化学测试装置与方法

2.6局部腐蚀微量析氢的测量方法

2.7表面分析技术与设备

2.7.1 X射线衍射

2.7.2扫描电子显微镜

2.7.3三维形貌仪

2.8有限元分析方法

3.AZ31变形态镁合金在Hank's模拟体液中的宏观腐蚀行为研究

3.1 引言

3.2实验

3.2.1实验样品及溶液

3.2.2 AZ31镁合金金相的制备过程

3.2.3浸泡实验和腐蚀形貌观察

3.2.4电化学极化实验

3.3实验结果与讨论

3.3.1 AZ31变形态镁合金在Hank's模拟体液中的腐蚀形貌分析

3.3.2 Hank's模拟体液中各成分对镁合金腐蚀速度的影响

3.3.3 pH值对镁合金腐蚀电化学行为的影响

3.4本章小结

4 AZ31变形态镁合金在Hank's模拟体液中的丝状腐蚀形貌

4.1镁合金的局部腐蚀

4.2 AZ31变形态镁合金的丝状腐蚀形貌观察和机理分析

5 AZ31镁合金组织结构对腐蚀行为的影响

5.1引言

5.2实验

5.2.1实验样品

5.2.2浸泡实验和腐蚀形貌观察

5.2.3电化学极化实验

5.3实验结果与讨论

5.3.1 AZ31变形态和铸态镁合金腐蚀速度的比较

5.3.2 AZ31变形态镁合金腐蚀形貌变化过程

5.3.3 AZ31铸态镁合金腐蚀形貌变化过程

5.3.4 AZ31变形态和铸态镁合金极化曲线结果与分析

5.4本章小结

6不同应力状态下镁合金的腐蚀行为分析

6.1引言

6.2实验

6.3实验结果与讨论

6.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢