鎂合金微弧氧化膜的制備與腐蝕降解行為研究.pdf

1、鎂合金具有彈性模量低、密度與人骨接近以及體內(nèi)可降解等優(yōu)點(diǎn),成為可降解生物材料研究的熱點(diǎn),但其在體液中腐蝕降解速度過快,制約了臨床應(yīng)用。微弧氧化是一種有效的表面處理技術(shù),能提高鎂合金的耐蝕性和生物相容性。針對鈣磷鹽具有良好生物活性,但在無機(jī)磷酸鹽中制備的氧化膜耐蝕性不夠理想的現(xiàn)狀,本文以食品添加劑植酸鈉為主要組分,研究了不同鈣鹽對微弧氧化膜性能的影響,遴選出能生成含鈣磷氧化層的含鈣電解質(zhì)。采用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化最佳工藝,探討了微弧氧化膜的成膜

2、機(jī)理以及在模擬體液中的腐蝕降解規(guī)律。主要研究結(jié)論如下:
　　1.在6g/L氫氧化鈉和15g/L植酸鈉的電解液中,分別添加CaCO3、Ca(OH)2、Ca(CH3COO)2和Ca(H2PO4)2等鈣鹽制備微弧氧化膜,研究表明氧化膜層中Ca含量都得到了提高,其中添加CaCO3制備的氧化膜層中Ca元素增加最多;點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)極化曲線分析表明,添加CaCO3顯著提高了氧化膜的耐蝕性。由于篩選出的CaCO3能改善氧化膜的表面微觀形貌和耐蝕

3、性,并能提高膜層中Ca含量,因此確定CaCO3為最佳鈣鹽添加劑。
　　2.利用正交實(shí)驗(yàn)法研究了氫氧化鈉、植酸鈉和碳酸鈣濃度以及氧化時(shí)間對氧化膜的耐蝕性、厚度、終電壓以及膜層Ca、P元素含量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氫氧化鈉濃度的增加,降低了氧化膜的厚度、耐蝕性、終電壓以及膜層中Ca、P元素的含量;植酸鈉濃度的增加,氧化膜中P元素含量增加,但終電壓逐漸下降;氧化時(shí)間的延長,降低氧化膜中的P元素含量,但逐漸增加Ca元素的含量;碳酸鈣濃度的

4、增加,使氧化膜的厚度、耐蝕性、終電壓以及膜層中Ca元素含量先增加后降低。微弧氧化膜制備的最佳工藝為氫氧化鈉3g/L、植酸鈉15g/L、碳酸鈣5g/L、氧化時(shí)間5min。
　　3.利用渦流測厚儀、SEM、EDS、XRD等手段表征了最佳工藝時(shí)氧化膜層的厚度、微觀形貌、組成和相結(jié)構(gòu)。氧化膜表面微孔分布均勻,微孔孔徑約為1.5~2.5m,微孔孔隙尺寸約為3~5m;膜層的厚度為20m,其中疏松層約15m,致密層約為5m。鎂鈣合金基體相結(jié)構(gòu)為

5、Mg、Mg2Ca,而微弧氧化膜相結(jié)構(gòu)主要為Mg、MgO、CaHPO4、MgCO3·3H2O、(Ca,Mg)CO3。氧化膜層中P元素面分布結(jié)果表明電解液中的植酸鈉參與了氧化膜的形成;Ca元素面分布結(jié)果表明氧化膜優(yōu)先在-Mg相和Mg2Ca相兩相交界處的-Mg相中生長,然后向-Mg相中橫向生長。
　　4.在模擬體液中,采用電化學(xué)極化曲線、浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)等方法評(píng)價(jià)了氧化膜的耐蝕性和腐蝕降解規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鎂合金基體自腐蝕電流密度為1.0

6、33×10-5A/cm2,自腐蝕電位為-1.655V;而微弧氧化膜自腐蝕電流密度為1.627×10-6A/cm2,自腐蝕電位為-1.478V。微弧氧化處理顯著降低了鎂合金的腐蝕降解速率。隨著浸泡時(shí)間的延長,氧化樣品失重率逐漸降低,并會(huì)出現(xiàn)增重現(xiàn)象;析氫量逐漸增加,溶液pH值逐漸上升;浸泡11天后,析氫速率減少并逐漸趨于平穩(wěn),溶液pH值的上升趨勢變得緩慢。
　　5、采用SEM、EDS、XRD等分析手段對腐蝕降解產(chǎn)物進(jìn)行了研究。結(jié)果表