飞秒激光制备镁合金表面微纳结构的演变机制及其性能研究

发布时间：2017-10-17 13:25

  本文关键词：飞秒激光制备镁合金表面微纳结构的演变机制及其性能研究

  更多相关文章： AZ31B镁合金 飞秒激光微/纳加工 陷光性 润湿性 细胞毒性

【摘要】：随着对材料表面微/纳结构尺寸效应的认识,微/纳制造技术已发展成为表面改性领域的研究热点之一。飞秒激光微/纳加工技术,突破了对加工材料种类和尺寸的限制,高效地实现了材料表面二维或三维微/纳结构的可控加工,是一种应用前景广泛的微/纳制造技术。镁合金不仅是一种轻质高强的结构材料,而且有望成为一种新型可降解生物材料,因此具有广阔的应用前景。目前,关于飞秒激光制备镁合金表面微/纳结构的研究很局限,飞秒激光烧蚀镁合金可获得的表面形貌种类及其相互作用机理均尚不清楚。本文开展飞秒激光制备镁合金表面微纳结构的研究,对于开发可控镁合金功能性表面具有一定的指导意义。本文采用飞秒激光光栅扫描方式对AZ31B镁合金表面进行烧蚀处理,重点研究了飞秒激光工艺参数对镁合金表面微纳结构的影响规律,测试并分析了飞秒激光制备的AZ31B镁合金微纳结构表面的陷光性能、润湿性能和细胞毒性。主要内容及结论如下:1.通过调控飞秒激光的能量密度和扫描速度,在AZ31B镁合金表面成功制备了Fs-irradiated形貌和Fs-inscribed两种形貌。Fs-irradiated典型的结构包括纳米级FLIPSS波纹结构,颗粒结构和孔洞结构;Fs-inscribed形貌以沟槽结构为主。前者主要决定烧蚀形貌的种类,后者则主要影响烧蚀形貌的尺寸。2.在可见光范围内(400~800 nm),通过测试微纳结构表面的光反射率来间接表征陷光性能的好坏。分析了工艺参数对光反射率的影响,结合三维表面形貌和粗糙度重点研究了四种典型微纳结构表面陷光性差异的成因,并建立模型解释其陷光机理。试验结果表明,FLIPSS波纹结构降低了镁合金表面的光吸收率;而颗粒结构、孔洞结构和沟槽结构陷光性很好。在可见光范围内,沟槽结构的光吸收率最高可达93%,相比母材提高了43.1%。颗粒结构和孔洞结构表面的光吸收率集中在85%~90%范围内,其波动性源于颗粒和孔洞的尺寸大小。3.通过测量接触角的大小来表征微纳结构表面的润湿性能,记录不同时刻接触角的变化来判断润湿状态的稳定性。试验结果表明,飞秒激光烧蚀后形成的纳米级FLIPSS波纹结构、颗粒结构和孔洞结构表面均呈现疏水性,接触角最大可达135°,但该疏水状态并不稳定,液体与镁合金表面的化学反应导致接触角减小;而沟槽结构表面呈现亲水性,接触角约为20°。4.采用Live/dead染色的方法来观察小鼠成骨细胞在镁合金微纳结构表面的存活状态,并对培养24 h后的细胞形态进行观察。试验结果表明,飞秒激光制备的镁合金表面微纳结构能够有效地改善材料表面引发的细胞毒性反应和细胞的铺展状态。表面粗糙度为1.729μm的颗粒结构,其表面细胞毒性反应较小,且细胞铺展最佳并伴随有伪足出现。
【关键词】：AZ31B镁合金 飞秒激光微/纳加工 陷光性 润湿性 细胞毒性
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22;TG665
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 选题背景及意义11-12
• 1.2 微/纳结构的潜在应用12-15
• 1.2.1 改善表面光学特性12-13
• 1.2.2 改变表面润湿性能13-14
• 1.2.3 提高表面生物相容性14-15
• 1.3 制备微/纳结构的方法15-16
• 1.4 飞秒激光制备表面微/纳结构概述16-19
• 1.4.1 飞秒激光制备表面微/纳结构种类及其研究进展16-18
• 1.4.2 飞秒激光制备镁合金表面微/纳结构的研究现状18-19
• 1.5 本文研究内容和技术路线19-21
• 第二章 试验材料、方法及设备21-27
• 2.1 试验材料及预处理21
• 2.2 飞秒激光制备AZ31B镁合金表面微纳结构21-23
• 2.2.1 试验主要设备21
• 2.2.2 试验方法及工艺参数21-23
• 2.3 表征方法及设备23-25
• 2.3.1 表面形貌及成分分析23
• 2.3.2 表面光反射率测试23-24
• 2.3.3 表面接触角测试24
• 2.3.4 体外细胞毒性测试24-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 不同工艺参数下AZ31B镁合金表面飞秒激光烧蚀形貌27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 AZ31B镁合金表面飞秒激光烧蚀宏观形貌27-28
• 3.3 不同工艺参数下AZ31B镁合金表面飞秒激光烧蚀微观形貌28-36
• 3.3.1 Fs-irradiated微观形貌28-34
• 3.3.2 Fs-inscribed微观形貌34-36
• 3.4 飞秒激光烧蚀镁合金微纳米结构形成机理36-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金微纳结构表面陷光性研究40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金表面微纳结构三维形貌40-43
• 4.2.1 Fs-irradiated三维形貌40-41
• 4.2.2 Fs-inscribed三维形貌图41-42
• 4.2.3 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金表面微纳米结构粗糙度测试42-43
• 4.3 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金微纳米结构表面陷光性测试43-45
• 4.3.1 Fs-irradiated表面反射率测试43-44
• 4.3.2 Fs-inscribed表面反射率测试44-45
• 4.4 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金微纳结构表面陷光机理分析45-48
• 4.5 本章小结48-50
• 第五章 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金微纳结构表面润湿性研究50-57
• 5.1 引言50
• 5.2 表面润湿性基础理论50-52
• 5.2.1 Wenzel模型51
• 5.2.2 Cassie模型51-52
• 5.3 飞秒激光烧蚀镁合金表面微纳结构表面润湿性测试52-56
• 5.3.1 接触角测量结果52-54
• 5.3.2 润湿性转变现象54-56
• 5.4 本章小结56-57
• 第六章 飞秒激光烧蚀AZ31B镁合金微纳结构表面细胞毒性探索57-62
• 6.1 引言57
• 6.2 飞秒激光烧蚀镁合金微纳结构表面细胞Live/dead试验57-59
• 6.3 飞秒激光烧蚀镁合金微纳结构表面细胞生长形态59-60
• 6.4 AZ31B镁合金微纳结构表面细胞毒性差异分析60-61
• 6.5 本章小结61-62
• 第七章 结论与展望62-64
• 7.1 结论62-63
• 7.2 进一步研究与展望63-64
• 参考文献64-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和取得的研究成果74

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本文编号：1049090