Sol-Gel法在AZ31镁合金表面制备羟基磷灰石涂层及性能研究

发布时间：2020-09-25 16:34

　　镁合金的弹性模量和屈服强度与天然骨最为接近，而且具备良好的生物性能，是最具潜力的生物材料。但是镁合金的耐蚀性较差，特别是在有氯离子存在的情况下更易被溶解，植入人体后容易发生降解，导致使用性能下降，对骨组织的保护作用大大减小。羟基磷灰石（HAP）的稳定性高、耐蚀性好，且是人体骨骼的主要无机成分，因而，以镁合金为基材的羟基磷灰石涂层的研究受到很大重视。金属基材表面制备羟基磷灰石膜层的技术有很多，比如电沉积、等离子喷涂、激光熔覆等，这些方法既有其各自的优点又存在一定的不足之处。溶胶凝胶法操作过程方便、成本较低。本课题主要通过溶胶凝胶法，研究探讨了AZ31镁合金基材表面羟基磷灰石膜层的制备。本文以氢氧化钙和磷酸二氢钙为前驱物，通过溶胶凝胶法在轧制态AZ31基材表面制备了羟基磷灰石涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、红外光谱仪（IR）、扫描电镜（SEM）、电化学工作站以及接触角测试仪等检测设备对涂层的物相成分、表面截面形貌、耐蚀性及接触角等做了分析检测；接着又探讨了表面机械研磨处理（SMAT）对AZ31基材表面粗糙度的影响，并在不同粗糙度的基体表面制备了羟基磷灰石涂层，分析了基体表面粗糙度变化对羟基磷灰石膜层性能的影响；最后通过添加甲基纤维素（MC）辅助制备了羟基磷灰石-甲基纤维素复合涂层。得到以下主要结论：（1）通过溶胶凝胶法在AZ31基体表面制备了纯度较高的羟基磷灰石涂层，涂层厚度约为8μm。该羟基磷灰石涂层在一定程度上减小了AZ31基体的腐蚀速度，并且提高了基材的亲水性。（2）AZ31基体经过不同直径的钢球SMAT处理后表面粗糙度不同。随着钢球直径的增大，基体表面粗糙度逐渐减小。在经过SMAT处理的AZ31基材表面制备HAP涂层后，发现基材表面粗糙度越大，涂层与其结合力越好，涂层表面的裂纹越少且其完整性相对越好。基体经过SMAT处理后其耐蚀性显著降低，表面粗糙度越大，基体的腐蚀速度越快；但在其表面制备HAP涂层后耐蚀性提高，且随着基材表面粗糙度的增大，涂层的耐蚀性变得越好。（3）添加甲基纤维素辅助，在AZ31基体表面通过溶胶凝胶法制备了不同层数的HAP-MC复合涂层。制备的复合涂层的纯度较高、涂层表面更加均匀致密，随着涂层层数的增加，涂层表面裂纹减少。HAP-MC复合涂层与基体的结合力相对较好，而且层数不同时其与基体的结合力呈现出不同的结果，涂层层数为1层时结合力最好。HAP-MC复合涂层降低了镁合金基体在生理盐水中的腐蚀降解速率，且随着涂层层数的增加，其对基体的保护作用得到增强。在Hank’s模拟体液中的浸泡实验表明，与HAP涂层相比，HAP-MC复合涂层能在较长时间内更有效的保护镁合金基体，更加有益于其植入人体后骨组织的生长。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

晶体结构

HAP的晶体结构

基本流程图,涂层,过饱和溶液

如图 2-1 所示为在 AZ31 基材表面制备 HAP 涂层的基本流程图。按钙磷比为 1.67分别配制 Ca(OH)2过饱和溶液和 Ca(H2PO4)2·H2O 溶液，先将 Ca(OH)2过饱和溶液放入70 ℃水浴中加热，然后缓慢滴加 Ca(H2PO4)2·H2O 溶液强力搅拌 1 小时后，制得溶胶，静置，再对溶胶进行去水处理使其成为凝胶。将经过预处理的镁合金样品放入凝胶中浸泡 2 分钟，以 0.1 mm/s 的速度提拉，接着在干燥箱中以 80 ℃干燥 15 分钟，再放入 400 ℃的电阻炉中热处理 30 分钟，重复上述步骤 5 次，制得一定厚度的 HAP 涂层。

装置图,析氢腐蚀,装置图

析氢腐蚀装置图

【参考文献】