无Ni型Ti基非晶合金的制备及性能研究

发布时间：2017-10-24 08:19

  本文关键词：无Ni型Ti基非晶合金的制备及性能研究

  更多相关文章： 无Ni型Ti基非晶 生物材料 热稳定性 耐腐蚀性 血液相容性

【摘要】：目前,Ti基非晶合金因其优异的力学性能及良好的抗腐蚀能力,逐渐成为生物材料中较为热门的一类。但是在已开发出的性能良好的Ti基非晶合金中,大多存在生物安全性较差的金属元素Ni、Be等,或存在一些贵金属元素,如Pd、Ag等。作为生物材料长期植入人体后,Ni、Be元素会对人体组织器官等产生危害,含量过高可致命。因此有必要通过成分优化改善Ti基非晶合金的生物安全性,希望能够在不降低非晶合金玻璃形成能力的情况下,制备出安全可靠且成本较低的无Ni型Ti基非晶合金。使得Ti基非晶合金能够真正运用到生物医用领域,为人类的健康做出应有的贡献。众所周知,微合金化即能提高非晶合金的玻璃形成能力,同时也能改善非晶合金的耐腐蚀性能。本文基于Ti基非晶合金研究现状,结合微合金化在钛合金材料中的应用,以制备性能良好的无Ni型Ti基非晶合金为最终目标,选择综合性能较好的Ti_(40)Cu_(39)Zr_(10)Ni_(11)非晶合金作为母合金,结合Inoue经验准则,挑选成本较低且性能较好的Sn元素和Fe元素添加并取代Ni元素,采用单辊甩带法制备出一系列Ti_(40)Cu_(39)Zr_(10)Ni_(11)-xMx(M=Sn,Fe;x=0,3,7,11 at%)非晶合金薄带。使用X射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)分析了低Ni及无Ni型非晶合金的组织以及热稳定性,结合电化学实验和扫描电镜(SEM)对成分优化后的非晶合金在模拟体液中的生物耐蚀性能进行初步评价,选取无Ni型Ti40Cu39Zr10Sn11、Ti40Cu39Zr10Fe11及母合金进行X射线光电子能谱(XPS)分析,探究表面钝化膜成分对Ti基非晶合金的生物耐蚀性能影响,最终通过动态凝血及溶血试验初步判断无Ni型Ti基非晶合金的血液相容性。根据实验结果判断无Ni型非晶合金试样是否具有作为生物材料应用的可行性。研究结果表明:(1)在Ti_(40)Cu_(39)Zr_(10)Ni_(11)非晶体系中添加Sn元素后,合金试样均表现为完全的非晶态结构,Sn元素的添加使得非晶合金体系的热稳定性基本不变,而生物耐蚀性能有所提高。对于无Ni型Ti40Cu39Zr10Sn11非晶合金,其过冷液相区ΔTx为37K,玻璃形成能力也稍有提高。生物耐蚀性能的提高表现为极化过程中自腐蚀电位的右移以及自腐蚀电流密度的降低,Ti40Cu39Zr10Sn11非晶合金具有最宽的钝化区间以及较高的自腐蚀电位,表明其具有较好的生物耐蚀性能。(2)同样Fe元素的添加,非晶体系均表现为非晶结构。Fe元素的添加使得非晶合金的热稳定性基本不变,当Fe元素完全取代Ni元素后,无Ni型Ti40Cu39Zr10Fe11非晶合金的过冷液相区ΔTx为35 K。其在PBS溶液中的耐蚀性能相对于母合金以及Ti40Cu39Zr10Sn11非晶合金,自腐蚀电位更大,钝化区间更宽。SEM图像中,Ti40Cu39Zr10Fe11非晶合金表面点蚀坑较少且腐蚀程度较浅。说明两种无Ni型非晶合金在模拟体液中均具有优异的耐蚀性能。(3)XPS分析表明,相比Ti_(40)Cu_(39)Zr_(10)Ni_(11)母合金,这两种非晶合金表面钝化膜中均含有较高的TiO2和Zr O2,并且Cu2O含量较低,这是其耐蚀性能得到提高的主要原因,同时较高价态的Sn、Fe元素,能够较好地保护非晶合金表面的钝化膜,使其免受腐蚀。而Ti40Cu39Zr10Fe11非晶合金中PO43-含量的降低,使其具有比Ti40Cu39Zr10Sn11非晶合金更强的耐蚀性能。动态凝血及溶血率测试表明,这两种无Ni型非晶试样均具有良好的血液相容性,有应用在生物医用领域的潜力。
【关键词】：无Ni型Ti基非晶 生物材料 热稳定性 耐腐蚀性 血液相容性
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG139.8
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 非晶态材料的发展历史11-13
• 1.2 非晶态材料的形成机理、制备方法及表征13-19
• 1.2.1 非晶态材料的形成机理13-15
• 1.2.2 非晶态材料的制备方法15-16
• 1.2.3 非晶态材料的表征16-19
• 1.3 生物非晶合金的研究现状19-22
• 1.3.1 钛基生物非晶合金19-21
• 1.3.2 锆基生物非晶合金21-22
• 1.3.3 铁、镁基生物非晶合金22
• 1.4 非晶合金表面钝化膜成分研究现状22-23
• 1.5 生物非晶合金遇到的瓶颈及发展趋势23-24
• 1.6 本课题的研究目的、意义及内容24-26
• 1.6.1 研究目的及意义24
• 1.6.2 研究内容24-26
• 第二章 试验材料、设备及方法26-32
• 2.1 试验材料26-27
• 2.1.1 合金原材料成分及配比26
• 2.1.2 合金表面清洁试剂26-27
• 2.1.3 试验溶液成分及配比27
• 2.2 非晶合金样品的制备27-28
• 2.2.1 母合金的熔炼27
• 2.2.2 非晶合金的制备27-28
• 2.3 试验测试与分析方法28-31
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）28-29
• 2.3.2 差示扫描量热分析（DSC）29
• 2.3.3 电化学行为测试29
• 2.3.4 扫描电子显微分析（SEM）29
• 2.3.5 X射线光电子能谱分析（XPS）29-30
• 2.3.6 体外动态凝血测试30
• 2.3.7 溶血测试30-31
• 2.4 试验流程图31-32
• 第三章 Sn元素添加对TiCuZrNi非晶热稳定性和耐蚀性能的影响32-38
• 3.1 引言32
• 3.2 实验结果与讨论32-37
• 3.2.1 Sn元素添加对TiCuZrNi非晶合金结构和热稳定性的影响32-34
• 3.2.2 Sn元素添加对TiCuZrNi非晶合金生物耐蚀性能的影响34-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第四章 Fe元素添加对TiCuZrNi非晶热稳定性和耐蚀性能的影响38-44
• 4.1 引言38
• 4.2 实验结果与讨论38-42
• 4.2.1 Fe元素添加对TiCuZrNi非晶合金结构和热稳定性的影响38-40
• 4.2.2 Fe元素添加对TiCuZrNi非晶合金生物耐蚀性能的影响40-42
• 4.3 本章小结42-44
• 第五章 TiCuZrSn(Fe)非晶合金表面钝化膜成分和血液相容性研究44-51
• 5.1 引言44
• 5.2 试验结果与讨论44-49
• 5.2.1 表面钝化膜成分对非晶合金耐蚀性能的影响研究44-47
• 5.2.2 TiCuZrSn(Fe)非晶合金血液相容性研究47-49
• 5.3 本章小结49-51
• 结论51-52
• 参考文献52-62
• 致谢62-63
• 附表A 攻读学位期间发表的论文63

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3 本报记者 倪e，

本文编号：1087885