钛合金Ti6Al4V表面钛酸锶生物薄膜的水热合成
发布时间：2019-07-19 10:08
【摘要】：采用氢氧化钠和硝酸锶混合溶液对Ti6Al4V合金进行水热处理,温度180℃,时间1、3和6 h。X射线衍射、扫描电镜、电子能谱和X射线光电子能谱分析表明,水热处理后钛合金表面形成了钛酸锶的纳米颗粒薄膜,颗粒尺寸80~230 nm,薄膜中含有极少量铝和钒元素。在无钙Hank’s平衡盐液中的动电位极化和电化学阻抗实验表明,与抛光试样相比,水热处理3 h试样的耐蚀性大幅提高。显微硬度压入实验表明,钛酸锶薄膜具有良好的附着性和内聚力。水热处理制备钛酸锶薄膜的方法可用于钛合金Ti6Al4V骨科植入体的表面改性。
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图片说明： 较高。X射线能谱分析表明，试样表面含有基体的钛、铝、钒和薄膜的锶、氧元素(见图3)。为了研究钛酸锶薄膜的形成机理，采用1MNaOH溶液对Ti6Al4V合金进行水热处理，得到试样HN3h，其表面形成了钛酸钠的纳米纤维和纳米片状结构(见图2d)。因此，Ti6Al4V合金在NaOH和Sr(NO3)2混合溶液中水热反应时，试样表面的钛原子先与热的碱溶液反应生成钛酸钠的纳米结构薄膜，而后钛酸钠与溶液中的锶离子反应生成钛酸锶晶体。由于钛酸锶不溶于碱液，试样亚表面的钛原子不能参与反应，因此，钛酸锶薄膜的厚度难于继续增加。图1Ti6Al4V试样的XRD谱Fig1XRDpatternsofTi6Al4Vsamples(a)．HS1h;(b)．HS3h;(c)．HS6h对水热处理试样HS3h进行XPS分析，各元素的高倍谱见图4。Ti2p和Sr3d谱表明，试样表面的钛和锶分别以钛酸盐、锶盐的形式存在［13］。Al2p、V2p谱在10s离子溅射前后都较为平坦，表明试样表面的铝、钒元素含量很低。O1s谱中结合能529．8/530．3eV的峰来源于钛酸盐的氧，而高结合能处(532．1eV)的峰与试样表面的吸附层和污染物有关［14］。经过离子溅射后，532．1eV处的O1s峰减弱，Ti2p和Sr3d峰增强，表明试样表面的吸附层和污染物被去除。246
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图片说明： 第4期孙嘉懋，等:钛合金Ti6Al4V表面钛酸锶生物薄膜的水热合成图2Ti6Al4V试样的扫描电镜图Fig2SEMmicrographsofTi6Al4Vsamples:(a)HS1h，(b)HS3h，(c)HS6h，(d)HN3h图3水热处理试样HS6h的EDX谱Fig3EDXspectrumofthehydrothermallytreatedsampleHS6h3．2耐蚀性测试和压入实验在无钙Hank’s平衡盐液中采用动电位极化法和电化学阻抗法评价Ti6Al4V试样的耐蚀性(见图5)。在动电位极化实验中，水热处理试样HS3h的腐蚀电流(Icorr)与抛光试样相当，前者的腐蚀电位(Ecorr)略低于后者。抛光试样在阳极极化区的电流迅速增加，这与试样表面铝、钒元素的溶出有关;随后达到较为稳定的钝化态，维钝电流密度(Ipass)为2．289μA/cm2。水热处理试样HS3h在钝化区的阳极电流密度随电位升高而缓慢增加，其击穿电位(Epit)也低于抛光试样，这可能与钛酸锶薄膜中仍含有少量铝、钒元素，而这些元素在阳极极化时逐渐被解离有关。水热处理试样在阳极极化区很快进入钝化态，其维钝电流密度远低于抛光试样，减幅在两个数量级以上(见表2)，，因此水热处理试样具有更好的耐蚀性。抛光试样和水热处理试样HS3h的Nyquist图见图5b。可以看出两个试样的曲线都只有一个环，表明两者在所研究的频率范围内只有一个时间常数。因此，电极－电解质界面可以拟合为一个R－C并联的等效电路。电阻R可以看作是电荷通过钝化膜的阻力，因此它反映试样的耐腐蚀性能。电阻R可用曲线拟合的半圆的直径来表示。与抛光试样相比，水热处理试样在无钙Hank’s平衡盐液中的电阻降低了10倍以上(见表2)，这也表明水热处理试样具有更好的耐蚀性。前期工作中［15］，我们采用显微硬度压入法评价了溶胶－凝胶法制备的含银TiO2薄膜的力学性能，这里尝试采用该方法评价水?
【作者单位】： 西安交通大学生命科学与技术学院;
【基金】：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(xjj2015072) 陕西省自然科学基金资助项目(2015JM5152;2012KW-08)
【分类号】：R318.08
本文编号：2516244
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图片说明： 较高。X射线能谱分析表明，试样表面含有基体的钛、铝、钒和薄膜的锶、氧元素(见图3)。为了研究钛酸锶薄膜的形成机理，采用1MNaOH溶液对Ti6Al4V合金进行水热处理，得到试样HN3h，其表面形成了钛酸钠的纳米纤维和纳米片状结构(见图2d)。因此，Ti6Al4V合金在NaOH和Sr(NO3)2混合溶液中水热反应时，试样表面的钛原子先与热的碱溶液反应生成钛酸钠的纳米结构薄膜，而后钛酸钠与溶液中的锶离子反应生成钛酸锶晶体。由于钛酸锶不溶于碱液，试样亚表面的钛原子不能参与反应，因此，钛酸锶薄膜的厚度难于继续增加。图1Ti6Al4V试样的XRD谱Fig1XRDpatternsofTi6Al4Vsamples(a)．HS1h;(b)．HS3h;(c)．HS6h对水热处理试样HS3h进行XPS分析，各元素的高倍谱见图4。Ti2p和Sr3d谱表明，试样表面的钛和锶分别以钛酸盐、锶盐的形式存在［13］。Al2p、V2p谱在10s离子溅射前后都较为平坦，表明试样表面的铝、钒元素含量很低。O1s谱中结合能529．8/530．3eV的峰来源于钛酸盐的氧，而高结合能处(532．1eV)的峰与试样表面的吸附层和污染物有关［14］。经过离子溅射后，532．1eV处的O1s峰减弱，Ti2p和Sr3d峰增强，表明试样表面的吸附层和污染物被去除。246
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图片说明： 第4期孙嘉懋，等:钛合金Ti6Al4V表面钛酸锶生物薄膜的水热合成图2Ti6Al4V试样的扫描电镜图Fig2SEMmicrographsofTi6Al4Vsamples:(a)HS1h，(b)HS3h，(c)HS6h，(d)HN3h图3水热处理试样HS6h的EDX谱Fig3EDXspectrumofthehydrothermallytreatedsampleHS6h3．2耐蚀性测试和压入实验在无钙Hank’s平衡盐液中采用动电位极化法和电化学阻抗法评价Ti6Al4V试样的耐蚀性(见图5)。在动电位极化实验中，水热处理试样HS3h的腐蚀电流(Icorr)与抛光试样相当，前者的腐蚀电位(Ecorr)略低于后者。抛光试样在阳极极化区的电流迅速增加，这与试样表面铝、钒元素的溶出有关;随后达到较为稳定的钝化态，维钝电流密度(Ipass)为2．289μA/cm2。水热处理试样HS3h在钝化区的阳极电流密度随电位升高而缓慢增加，其击穿电位(Epit)也低于抛光试样，这可能与钛酸锶薄膜中仍含有少量铝、钒元素，而这些元素在阳极极化时逐渐被解离有关。水热处理试样在阳极极化区很快进入钝化态，其维钝电流密度远低于抛光试样，减幅在两个数量级以上(见表2)，，因此水热处理试样具有更好的耐蚀性。抛光试样和水热处理试样HS3h的Nyquist图见图5b。可以看出两个试样的曲线都只有一个环，表明两者在所研究的频率范围内只有一个时间常数。因此，电极－电解质界面可以拟合为一个R－C并联的等效电路。电阻R可以看作是电荷通过钝化膜的阻力，因此它反映试样的耐腐蚀性能。电阻R可用曲线拟合的半圆的直径来表示。与抛光试样相比，水热处理试样在无钙Hank’s平衡盐液中的电阻降低了10倍以上(见表2)，这也表明水热处理试样具有更好的耐蚀性。前期工作中［15］，我们采用显微硬度压入法评价了溶胶－凝胶法制备的含银TiO2薄膜的力学性能，这里尝试采用该方法评价水?
【作者单位】： 西安交通大学生命科学与技术学院;
【基金】：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(xjj2015072) 陕西省自然科学基金资助项目(2015JM5152;2012KW-08)
【分类号】：R318.08
本文编号：2516244
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