新型生物医用镁锌钙锶合金的组织及性能研究

发布时间：2017-10-31 03:26

  本文关键词：新型生物医用镁锌钙锶合金的组织及性能研究

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【摘要】：可降解骨植入材料因其可在植入生物体后不断降解,不需要取出,已成为当前生物材料领域的国际研究前沿与热点。镁合金不仅具有良好的力学相容性、生物相容性,并且能够在生物体内逐渐降解,因而作为一种极有发展潜力的可降解骨植入材料日益受到人们的青睐。目前大规模使用的生物医用镁合金材料有AZ31、WE43等,但这些合金中均含有对人体有毒性作用的铝及稀土元素。因此当前制备出既有较好的力学性能、耐腐蚀性能,同时对人体无毒并起到一定治疗作用的镁合金,具有较高的实用价值。 本文选用具有良好生物相容性的Zn、Ca和Sr元素为微合金化元素,制备了新型的Mg-Zn-Ca-Sr合金。系统研究了Sr元素及Ca元素含量对合金组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响,并通过改变固溶处理条件,利用合金各性能的变化,找到最佳的固溶处理方式。研究结果表明,Ca与Sr两种元素对合金均有较大的细化作用。铸态组织有α-Mg及含Ca与含Sr的第二相组成。随着合金中Sr元素含量的增加,合金的晶粒不断细化,合金第二相晶界呈现先细化后粗化的趋势；当合金中Sr元素继续增加时,大量第二相聚集在晶界处,形成粗大的网状结构。Ca元素与Sr元素对第二相的影响趋势不同,随着Ca的增加,合金的第二相不断粗化。 力学性能随着合金中Ca和Sr元素含量的增加呈现先增强后降低的规律,合金耐蚀性能随着合金中第二相的增多不断下降,添加少量的Sr元素和Ca元素对合金的耐蚀性能影响不大。通过对合金腐蚀产物的扫描,发现合金的腐蚀产物层中含有Sr元素,含有Sr元素的羟基磷灰石层对合金起到一定的保护作用,提高合金的耐蚀性能,同时从合金中降解出来的Sr元素对骨形成有一定的帮助作用,可以提高骨形成能力。 为进一步提高合金的性能,本文对综合性能较好的Mg-2Zn-0.25Ca-0.3Sr合金进行了不同工艺条件的固溶处理,对固溶处理后的合金分别作了金相、力学性能和耐蚀性能的表征,结果表明：在相同的固溶温度条件下,随着保温时间的延长,合金中第二相逐渐减少,发生固溶的第二相增多。随着固溶温度的升高,合金的拉伸性能呈现先升高后降低的规律；合金的自腐蚀电位不断升高,合金的耐蚀性不断提高。固溶时间较长、固溶温度较高,合金会发生过烧现象,合金晶粒粗化,晶界弱化,合金的力学性能下降明显。360℃保温4h为最合适的固溶温度和固溶时间,能够提高合金的力学性能和耐蚀性能。 本文基于可降解骨植入材料,通过合金成分和固溶处理工艺的优化,得到了力学性能和耐蚀性能较匹配的Mg-Zn-0.25Ca-0.3Sr合金,为进一步研究生物相容性和作为植入体使用奠定了基础。
【关键词】：骨植入材料 镁合金 热处理 锶 钙 性能
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG146.22;R318.08
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-22
• 1.1 生物医用骨植入材料13-15
• 1.1.1 现有生物医用骨植入金属材料13-14
• 1.1.2 生物医用骨植入材料的基本要求14-15
• 1.2 骨植入镁合金材料15-19
• 1.2.1 镁合金作为骨植入材料的特性及优势15-16
• 1.2.2 镁合金骨植入材料的研究现状16-18
• 1.2.3 锶元素的作用18-19
• 1.2.4 骨植入镁合金材料的发展趋势19
• 1.3 本课题的意义及研究内容19-21
• 1.3.1 本课题的意义19-20
• 1.3.2 本课题的研究内容20-21
• 1.4 技术路线21-22
• 2 实验方法及分析手段22-32
• 2.1 合金的制备及热处理工艺设计22-26
• 2.1.1 合金成分的设计22-24
• 2.1.2 合金原料、模具及制备前准备过程24-25
• 2.1.3 熔炼及浇注过程25-26
• 2.1.4 合金热处理26
• 2.2 显微组织分析26-27
• 2.2.1 金相显微(OM)分析26
• 2.2.2 X射线衍射(XRD)分析26-27
• 2.2.3 扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析27
• 2.3 力学性能分析27-29
• 2.3.1 显微硬度27-28
• 2.3.2 拉伸性能28
• 2.3.3 压缩性能28
• 2.3.4 抗弯性能28-29
• 2.4 腐蚀性能分析29-32
• 2.4.1 电化学腐蚀分析29
• 2.4.2 电化学阻抗谱29-30
• 2.4.3 失重分析30
• 2.4.4 pH值分析30-31
• 2.4.5 腐蚀形貌观察31-32
• 3 锶含量对镁锌钙锶合金组织与性能的影响32-54
• 3.1 显微组织33-40
• 3.1.1 合金相组成33-34
• 3.1.2 合金金相组织34-35
• 3.1.3 SEM和EDS分析35-40
• 3.2 Sr元素对铸态合金力学性能的影响40-45
• 3.2.1 显微硬度40-41
• 3.2.2 拉伸性能41-42
• 3.2.3 抗弯强度42-43
• 3.2.4 抗压强度43-44
• 3.2.5 Sr元素对镁锌钙合金力学性能的影响机理44-45
• 3.3 Sr含量对铸态合金耐腐蚀性能的影响45-52
• 3.3.1 电化学性能45-48
• 3.3.2 失重分析48-50
• 3.3.3 腐蚀形貌分析50-51
• 3.3.4 Sr元素对合金耐腐蚀性能影响的机理分析51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 4 钙含量对镁锌钙锶合金组织与性能的影响54-69
• 4.1 合金性能对比54-55
• 4.2 显微组织55-58
• 4.2.1 合金相组成55
• 4.2.2 合金金相组织55-56
• 4.2.3 SEM和EDS分析56-58
• 4.3 Ca元素对铸态合金力学性能的影响58-62
• 4.3.1 显微硬度58-59
• 4.3.2 拉伸性能59-60
• 4.3.3 抗弯强度60
• 4.3.4 抗压强度60-61
• 4.3.5 Ca元素对镁锌钙合金力学性能的影响机理61-62
• 4.4 Ca含量对铸态合金耐腐蚀性能的影响62-68
• 4.4.1 电化学性能62-64
• 4.4.2 失重分析64-66
• 4.4.3 腐蚀形貌分析66
• 4.4.4 Ca元素对合金耐腐蚀性能影响的机理分析66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 5 固溶处理对Mg-Zn-Ca-Sr合金性能的影响69-79
• 5.1 固溶处理对合金组织的影响70-71
• 5.2 固溶处理对合金力学性能的影响71-73
• 5.3 固溶处理对合金耐腐蚀性能的影响73-77
• 5.3.1 固溶处理对合金电化学腐蚀性能的影响73-75
• 5.3.2 固溶处理对合金在SBF中pH值变化的影响75-77
• 5.4 热处理对Mg-2.1Zn-0.22Ca合金的影响机理77
• 5.5 本章小结77-79
• 6 主要结论79-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-86
• 个人简历86

【参考文献】

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本文编号：1120613