生物可降解Mg-ZN-Ca(Sn)非晶的制备及其性能研究

摘要

镁合金具有独特的化学和力学性能，良好的生物相容性和生物可降解性，作为生物材料具有明显的优势和广阔的潜在应用价值。深共晶点成分附近的合金具有较高的非晶形成能力。
　　基于此，本文采用多相平衡热力学相图计算方法进行合金成分设计，用中频感应熔炼炉熔炼合金后采用单辊甩带法制备非晶合金，通过XRD和DSC研究了Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力，利用电化学工作站对Mg-Zn-Ca合金在模拟人体体液环境中的腐蚀行为进行了表征。在此基础上研究St对Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力和腐蚀行为的影响。
　　相图计算结果表明，Mg-Zn-Ca合金的深共晶点温度为257℃，合金成分为Mg-33at.％Zn-9at.％Ca。在此基础上设计了 Mg-33at.％Zn-7at.％Ca和Mg-33 at.％Zn-10at.％Ca合金。当铜辊转速为40m/s时合金为完全非晶(铜辊直径为300mm，宽度为35mm);当铜辊转速为30m/s时，合金组织的基体为非晶，在基体中含有少量的CaZn2晶体相。XRD、DSC测试结果，以及吉布斯自由能和Kissinger法的计算结果表明，三个合金中Mg-33Zn-7Ca合金的非晶形成能力优于Mg-33Zn-9Ca和Mg-33Zn-10Ca合金;当Ca含量从7at.％增加到10at.％时，合金的自腐蚀电位从-1.44V增加到-1.36V，且腐蚀电流密度从293μA/cm2变为215μA/cm2，说明随着Ca含量的增加，铸态合金的耐蚀性逐渐增加，Mg-33Zn-10Ca合金的耐蚀性最好，经过快速冷却制备的Mg-33Zn-10Ca非晶态合金的腐蚀电位为-0.97V，腐蚀电流密度为9.22μA/cm2，与铸态合金相比其耐蚀性提高了30倍。非晶合金耐腐蚀变化规律与铸态合金相同。
　　在快速凝固过程中，当辊面转速为30m/s时，Mg-33Zn-9Ca合金为以非晶为基体，并含有少量的CaZn2晶体相，加入0.25at.％Sn元素后，晶体相消失，说明Sn的加入能够提高Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力。但随着Sn含量的增加，其对合金非晶形成能力的促进作用不大。对于铸态合金来说，随着Sn含量的增加，合金的自腐蚀电流密度逐渐增大，从Mg-33Zn-9Ca合金的268μA/cm2变到(Mg-33Zn-9Ca)-0.75Sn的524μA/cm2。表明随着Sn含量的增加合金的耐蚀性逐渐降低。经过快速凝固制备的(Mg-33Zn-9Ca)-0.75Sn非晶合金的自腐蚀电流密度为142μA/cm2比铸态合金的耐蚀性提高了3倍，非晶合金耐腐蚀变化规律与铸态合金相同。

目录

摘要

1 绪论

1．1 生物材料简介

1．1．1 生物材料的定义

1．1．2 生物材料的分类

1．1．3 镁及镁合金作为医用生物材料的优势

1．2 生物可降解医用镁合金研究进展

1．2．1 生物相容性

1．2．2 腐蚀与防护

1．2．3 镁合金表面可降解生物医用涂层处理

1．3 镁基生物材料的性质

1．4 非晶合金概况

1．4．1 非晶合金的发展历程

1．4．2 非晶合金的制备方法

1．4．3 非晶形成准则和判据

1．5 论文的主要研究内容

2 实验方法及过程

2．1 实验流程

2．2 试验材料及设备

2．2．1 试验材料

2．2．2 实验设备

2．3 Mg-Zn-Ca合金成分设计

2．3．1 合金元素选择

2．3．2 Mg-Zn-Ca三元系合金液相面投影图

2．3．3 不同温度Mg-Zn-Ca三元系合金等温截面图

2．4 母合金制备

2．5 带材非晶合金制备

2．6 腐蚀性能测试

2．6．1 样品的制备

2．6．2 模拟体液的配制

2．7 实验分析方法

2．7．1 合金显微组织观察

2．7．2 合金扫描电镜及能谱分析

2．7．3 X射线衍射分析

2．7．4 差示扫描量热仪分析

2．7．5 电化学测试

3 Mg-Zn-Ca非晶合金的制备与性能研究

3．1 母合金组织分析

3．2 Mg-Zn-Ca非晶微观结构分析

3．3 Mg-Zn-Ca非晶形成能力研究

3．4 Mg-Zn-Ca合金在SBF模拟体液中耐蚀性研究

3．5 本章小结

4 Mg-Zn-Ca-Sn非晶合金的制备与性能研究

4．1 Mg-Zn-Ca-Sn合金成分设计

4．2 Mg-Zn-Ca-Sn母合金显微组织分析

4．3 Mg-Zn-Ca-Sn非晶形成能力

4．4 Mg-Zn-Ca合金在SBF模拟体液中的腐蚀行为

4．5 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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