镁合金表面超声微弧氧化生物涂层的组织结构与性能

发布时间：2017-06-08 01:14

  本文关键词：镁合金表面超声微弧氧化生物涂层的组织结构与性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：针对医用镁合金材料在生理环境中腐蚀过快的问题,本课题采用超声微弧氧化方法,利用超声技术对微弧氧化镁合金涂层的组织结构和性能进行调控,在可降解医用镁合金表面制备含Ca、P元素的复合涂层,拟解决镁合金腐蚀过快的问题,并提高微弧氧化涂层的生物活性。采用高速摄影技术、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱(FTIR)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、光学显微镜(OM)、摩擦磨损仪和划痕仪等分别研究不同超声功率作用下的微弧放电过程和涂层的形成机理、涂层微观结构、涂层的相组成、涂层中钙磷元素含量及分布、结合力和摩擦磨损性能等。并通过电化学腐蚀和体外模拟研究了镁合金涂层的腐蚀行为及腐蚀速率。通过对微弧氧化镁合金(MAO)、微弧氧化-电沉积复合涂层镁合金(MAO-ED)和超声功率为120W的微弧氧化涂层(UMAO)动物体内种植,进行了生物学评价。微弧氧化过程中,超声空化效应使得溶液中产生的电压降减少,阴阳极间的有效电压降增加,使得微弧氧化过程形成的涂层的组织结构和力学性能发生改变。结果表明,相对于未加入超声作用的微弧氧化过程,微弧氧化放电周期、同一个放电周期内微弧放电数量以及相同位置微弧放电几率增加;电弧的反复击穿使得涂层的表面粗糙度Ra和不平整度分Rz别由0.2988μm和2.264μm增加至0.345μm和2.787μm,涂层表面的摩擦系数由0.13增加至0.45左右,但磨损仅发生在多孔的表层。较高的电压诱导大的火花的生成,在涂层表面形成了较大的孔,最大孔径由3μm增加至8.6μm,大孔包含小孔、小孔与小孔互相联合的形貌减少了表面裂纹数量。超声提供的高能使得涂层的晶面能量增加,垂直于该晶面方向的生长速度加快。随着功率增加,纳米颗粒垂直于基体面长大、岛状与岛状粒子结合堆积生长由棒状结构转变为板条状结构,粒子之间保持层层堆积生长关系。涂层主要由(111)、(222)、(200)和(220)晶面的Mg O和不同晶面生长的3 4 2Ca(PO)和3 4 2Mg(PO)等相组成。超声增加了涂层中3 4 2Ca(PO)和3 4 2Mg(PO)相的含量。超声作用下的微弧氧化涂层结合力增加,功率为120W时,涂层与基体之间的结合性最好,涂层仅发生了第一阶段的开裂失效,对应的失效载荷为28N。超声的扰动作用,抑制了微弧氧化过程中涂层/镁界面处的镁发生再结晶时的枝晶生长,有利于提高界面处镁基体的致密度。超声的空化效应增加了涂层的内生倾向,致密层厚度增加。结果表明,超声作用下涂层与基体界面处的镁合金中形成的枝晶区由大约15μm减小至3μm左右。涂层中裂纹缺陷数量减少,致密层厚度的增加有利于降低2+Mg的溶出速度,涂层和基体对腐蚀液阻挡能力增强。其中,120W超声微弧氧化涂层的防护能力最佳,该涂层在120h内的电化学腐蚀过程表明,涂层的溶解、钝化膜的形成以及腐蚀产物的脱附是一个动态交替循环过程,该过程有利于腐蚀产物中2+Mg的代谢和生物组织的生成。动物体内降解的镁主要是通过肾脏以尿液的形式排出体外,超声微弧氧化组中血液中镁离子的浓度均在参考范围内,而13周时微弧氧化组和15周时微弧氧化与电沉积复合组镁离子的浓度超出参考值。超声微弧氧化种植体在种植12周内,有大量的骨小梁存在,并有哈弗骨板产生,形成密质骨,种植体与新骨之间保持紧密结合,表现出良好的骨生长状态,整个植入过程中保持均匀稳定的降解速率和很好的成骨能力;电化学沉积后处理涂层组在种植前8周成骨能力强,但后期骨生长速度减慢;微弧氧化涂层组12周仅见编织骨形成,生物活性低于上述两组植体;微弧氧化和电化学沉积复合两种种植体24周均发生完全降解,失去承载能力。体外腐蚀和动物体内植入研究表明,材料表面的钙磷活性元素仅在短期内可以提高材料的生物活性,但是超声对微弧氧化涂层的表面和界面结构以及成分的改变,对长期保持生物镁合金体内降解稳定性和生物活性起到重要作用。
【关键词】：镁合金 超声 微弧氧化 生物涂层 组织结构 性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-32
• 1.1 引言15
• 1.2 可降解医用镁合金国内外研究现状15-28
• 1.2.1 医用镁合金的临床应用现状15-19
• 1.2.2 医用镁合金的腐蚀性能19-20
• 1.2.3 镁合金微弧氧化技术20-28
• 1.3 超声在材料研究中的应用现状28-29
• 1.3.1 超声空化效应28
• 1.3.2 超声空化效应的应用28-29
• 1.4 研究目的及意义29-31
• 1.4.1 可降解生物材料植入要素29-30
• 1.4.2 可降解生物材料设计思路30-31
• 1.4.3 研究目的及意义31
• 1.5 主要研究内容31-32
• 第2章 试验材料及方法32-39
• 2.1 试验材料及设备32-36
• 2.1.1 试验材料32-33
• 2.1.2 试验设备及工艺过程33-36
• 2.2 涂层分析测试及方法36-37
• 2.2.1 微弧放电测试36
• 2.2.2 组织结构表征36-37
• 2.2.3 性能测试37
• 2.3 体内生物学评价37-39
• 2.3.1 骨缺损模型建立37-38
• 2.3.2 术后动物饲养38
• 2.3.3 术后处理38
• 2.3.4 术后检测38-39
• 第3章 超声在微弧放电过程中的作用机理39-50
• 3.1 引言39-40
• 3.2 超声微弧放电过程40-45
• 3.3 超声功率-微弧放电电压响应45-48
• 3.4 超声对微弧放电作用机理48-49
• 3.4.1 超声对微弧放电电压的影响48-49
• 3.4.2 超声对微弧放电数量的影响49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 超声微弧氧化涂层的组织结构及力学性能50-83
• 4.1 引言50
• 4.2 超声微弧氧化涂层的形貌分析50-63
• 4.2.1 表面粗糙度50-51
• 4.2.2 表面形貌51-54
• 4.2.3 断面结构54-58
• 4.2.4 涂层的形成机理58-63
• 4.3 超声微弧氧化涂层的组织结构63-69
• 4.3.1 相组成分析63-64
• 4.3.2 高分辨透射电镜分析64-67
• 4.3.3 红外光谱分析67
• 4.3.4 能谱分析67-69
• 4.4 超声微弧氧化Ca-P涂层的形成机制69-70
• 4.5 电化学沉积涂层形貌及组成70-72
• 4.6 超声微弧氧化涂层的力学性能72-82
• 4.6.1 涂层结合力72-76
• 4.6.2 涂层摩擦磨损性能76-80
• 4.6.3 超声对涂层力学性能的影响80-82
• 4.7 本章小结82-83
• 第5章 镁合金超声微弧氧化涂层体外腐蚀性能83-105
• 5.1 引言83
• 5.2 模拟体液中电化学腐蚀83-90
• 5.2.1 极化曲线83-85
• 5.2.2 电化学阻抗谱85-90
• 5.3 生理盐水中电化学腐蚀90-95
• 5.3.1 极化曲线90-91
• 5.3.2 电化学阻抗谱91-95
• 5.4 涂层接触角95-96
• 5.5 涂层耐蚀性能96-101
• 5.6 腐蚀机理分析101-104
• 5.7 本章小结104-105
• 第6章 镁合金超声微弧氧化涂层体内生物学评价105-132
• 6.1 引言105-106
• 6.2 动物模型建立106
• 6.3 血镁及尿镁浓度106
• 6.4 骨生长及种植体降解行为106-130
• 6.4.1 种植体微观结构及成分106-108
• 6.4.2 种植体与骨界面扫描电镜及能谱分析108-121
• 6.4.3 种植体与骨结合区.腔CT分析121-125
• 6.4.4 种植体降解稳定性125-126
• 6.4.5 骨组织病理分析126-130
• 6.5 涂层成骨能力分析130-131
• 6.6 本章小结131-132
• 结论132-134
• 参考文献134-145
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果145-147
• 致谢147-148
• 个人简历148

【共引文献】

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1 于景媛;李强;张峰峰;王新宇;;ZK60镁合金微弧氧化改性研究[J];金属功能材料;2014年04期

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本文编号：430914