镁合金及其Ti/Al涂层在Hank’s溶液中的腐蚀研究

摘要

镁合金具有良好的力学性能和生物相容性,是一种很有应用前景的人体植入材料。然而,镁合金较差的耐蚀性能,制约了其在临床应用上的研究和发展。因此,镁合金在人体体液中腐蚀及其防护研究成为当前生物材料的研究热点。　　本文采用磁控溅射法制备Ti/Al涂层,并对涂层进行热扩散处理。通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察了材料组织和涂层的形貌。通过浸泡腐蚀实验和动电位电化学实验研究了镁合金AZ31、Mg-3.3Li、Mg-8Li-1Al和Mg-14Li-1Al及AZ31表面 Al/Ti涂层在模拟体液(SBFs)中的腐蚀行为。考察了HCO3-、SO42-、HPO42-和H2PO4-离子、葡萄糖(C6H12O6)及其含量对AZ31镁合金腐蚀性能的影响;探讨了合金元素 Li含量对 Mg-Li合金的表面膜结构和耐蚀性能的影响,以及表面 Ti/Al涂层对镁合金AZ31耐蚀性的影响。使用能谱(EDS)、X射线光电子谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等表面技术分析了合金、涂层,以及腐蚀产物等的结构和成分。　　研究表明,HCO3-,HPO42-和H2PO4-离子明显地降低了镁合金AZ31的自腐蚀电位,SO42-离子以及C6H12O6略微降低镁合金AZ31的自腐蚀电位,在2.0 g/L浓度, C6H12O6引起自腐蚀电位出现反常现象,即随浸泡时间的延长,电极电位不断提高。HCO3-、SO42-离子以及C6H12O6改变了阳极极化行为,使镁合金AZ31的阳极极化曲线出现钝化现象。C6H12O6能较好地抑制镁合金的腐蚀,HPO42-和H2PO4-也能轻微抑制镁合金的腐蚀。SO42-离子对腐蚀速度没有明显的影响。　　Mg-3.3Li合金氧化膜组成分为α、Li3Mg17、Li2CO3;Mg-8Li-1Al合金氧化膜组成为α、β、Li3Mg17、Li3Mg7、Li2O2、Li2CO3,以及微量的MgCO3;而Mg-14Li-1Al的合金的氧化膜结构由β、Li3Mg7、Li2CO3、Li2O2、Mg(OH)2、MgCO3·2H2O组成。　　Mg-Li合金在Hank’s溶液中的腐蚀速率随着Li含量的增加而加快,在空气中形成的表面膜随着Li含量的增加而增厚,改善了Mg-Li合金的耐蚀性。　　Ti/Al双层涂层明显提高了开路电位,显著提高了AZ31镁合金的耐腐蚀性。Ti膜比Al膜更能提高镁合金AZ31的耐蚀性。热扩散促进了Mg/Al和Al/Ti之间的互扩散,但降低了涂层的耐蚀性。这可能是因为形成了更多的第二相,导致涂层内产生微电偶腐蚀。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 镁合金生物材料的研究进展

1.3 镁合金植入材料的腐蚀影响因素

1.4 提高耐蚀性的途径

1.5 镁合金作为生物材料存在的科学问题

1.6 选题意义与主要研究内容

第二章 试验方案设计

2.1 技术路线

2.2 实验材料及涂层

2.3 金相制备

2.4 浸泡实验

2.5 热扩散处理

2.6 腐蚀电化学测量

2.7 形貌观察及成分分析

第三章 镁合金AZ31在Hank’s溶液中腐蚀行为

3.1 前言

3.2 HCO3-对镁合金AZ31腐蚀行为的影响

3.3 C6H12O6对镁合金AZ31腐蚀行为的影响

3.4 SO42-对镁合金AZ31腐蚀行为的影响

3.5 HPO42-和H2PO4-对镁合金AZ31腐蚀行为的影响

3.6 Hank’s溶液中各种离子对镁合金AZ31腐蚀行为的综合影响

3.7 讨论

3.8 本章小结

第四章 Mg-Li合金及其自生成膜在Hank’s溶液中的腐蚀行为

4.1 前言

4.2 Mg-Li合金的形貌观察及成分分析

4.3 Mg-Li合金的腐蚀行为

4.4 讨论及模型的建立

4.5 本章小结

第五章 Ti/Al涂层对镁合金AZ31耐蚀性的影响

5.1 前言

5.2 涂层制备的工艺参数

5.3 溅射参数对涂层性能的影响

5.4 热扩散处理对涂层性能的影响

5.5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果