镁合金表面微弧氧化膜层的制备及其耐腐蚀性能研究

论文摘要

镁及镁合金因机械性能与其他常用医用金属材料相比更接近天然骨,作为骨折固定材料能有效地缓解应力遮挡效应,在骨折愈合的初期提供稳定的力学环境,使骨折部位承受生理水平的应力刺激,加速愈合,而骨折愈合后期可以自行降解,通过腐蚀逐步被机体吸收代谢,适合制备短期或暂时植人器件,但由于镁化学活泼性极高,腐蚀速率过快,在骨折愈合期失去力学支撑引起应力遮挡效应影响骨生长。因此对其进行控制降解的必要途径是采用表面改性方法。本课题通过微弧氧化技术在AZ31镁合金表面制备了含Mg、O、P的氧化膜层。并优化了影响膜层结构和性能的工艺参数;利用SEM、EDS、XRD、XPS、FTIR、接触角测定仪等手段分析膜层微观组织结构、表面性能和相结构;通过不同的腐蚀环境不同的腐蚀测试方法研究膜层的耐蚀性。结果表明,改变处理条件可以改变膜层的生长速度、表面结构和缺陷。电解液浓度、电压是影响膜层生长的主要因素,且影响晶相的结晶程度及数量;膜层生长速度随着氧化时间的增加先快后慢,但氧化物衍射峰逐渐增强;频率对膜层的生长影响不大,但可以改变膜层表面致密度、孔径及平整性,频率过高,氧化物衍射峰会出现宽化。优化参数下制备的氧化膜层表面孔洞直径15μm均匀分布,膜厚可达23μm,外层多孔内层致密,膜层主要由MgO、Mg3（PO4）2、Mg（OH）2、Na3PO4和MgAl2O4等相组成;膜层改性后表面能明显增加。相结构分析证明,同一微弧氧化膜层中由内而外Mg3（PO4）2峰强度增高,而具有耐腐蚀性能的MgO、Mg（OH）2和MgAl2O4峰强度数量都逐渐降低;三种主要相结晶度随氧化时间推移而降低,但300s时更有利于各相结晶。随电压的增加三种主要相的结晶度都逐渐提高,且350V时MgO相结晶度超过其它两相;Mg3（PO4）2 （200）峰的晶粒尺寸和晶面间距随电压增加分别变粗和变宽,同一膜层它们由内向外都减小。膜层中MgO （200）相的晶粒尺寸和晶面间距随电压增加分别呈变小和变窄,同一膜层晶面间距由内而外先减后增,晶粒尺寸则由内而外先增后减。不同电压形成的膜层残余应力呈压应力且其值随电压增加而减小,不同氧化时间制备的膜层残余应力从压应力变为拉应力,时间临界点为110s左右。这些膜层的残余应力均少于镁基体的残余拉应力。无论是在模拟体液中的失重法实验、交流阻抗实验还是在3.5%NaCl的电化学实验中,微弧氧化膜层与镁基体相比耐蚀性都大大改善,这与膜层相结构和微观结构有重要的联系。工艺条件显示电压为300350V、电解液浓度为30g/LNa3PO4、氧化时间35min、电源频率100HZ的膜层耐蚀性最好。然后通过对工艺参数的调节可以很好的控制镁合金的腐蚀速率,为医学应用提供一定的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 医用镁合金的表面改性
• 1.3 微弧氧化技术
• 1.3.1 微弧氧化技术的发展历史及研究现状
• 1.3.2 微弧氧化的基本原理
• 1.3.3 微弧氧化的主要影响因素
• 1.4 本课题研究的意义和内容
• 1.4.1 本文研究的意义
• 1.4.2 本文研究的内容
• 第二章 实验设备与研究方法
• 2.1 实验设备
• 2.2 实验材料
• 2.3 微弧氧化工艺流程
• 2.3.1 实验预处理
• 2.3.2 微弧氧化实验路线
• 2.3.3 微弧氧化工艺参数
• 2.4 氧化膜层的表征方法
• 2.4.1 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4.2 X-射线衍射仪（XRD）检测
• 2.4.3 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.4.4 静态接触角的测量
• 2.4.5 傅立叶红外光谱仪（FT-IR）分析
• 2.5 微弧氧化膜层耐蚀性能测试
• 2.5.1 失重法试验
• 2.5.2 电化学方法试验
• 2.5.3 交流阻抗试验
• 第三章 微弧氧化膜层的制备和工艺参数的优化
• 3.1 前言
• 3.2 电解液浓度的优化
• 3.2.1 不同电解液浓度对膜层形貌的影响
• 3.2.2 不同电解液浓度对膜层相组成的影响
• 3.3 工作电压的优化
• 3.3.1 不同电压对膜层形貌的影响
• 3.3.2 不同电压对膜层相组成的影响
• 3.4 氧化时间的优化
• 3.4.1 不同氧化时间对膜层形貌的影响
• 3.4.2 不同氧化时间对膜层相组成的影响
• 3.5 电源频率的优化
• 3.5.1 不同频率对膜层形貌的影响
• 3.5.2 不同频率对膜层相组成的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 镁合金微弧氧化膜层的性能表征
• 4.1 前言
• 4.2 微弧氧化膜层表面（截面）形貌及元素分布
• 4.3 微弧氧化膜层的X 射线光电子谱分析
• 4.4 微弧氧化膜层的红外光谱分析
• 4.5 微弧氧化改性前后膜层接触角及表面能的测定
• 4.5.1 改性前后表面接触角的测定
• 4.5.2 改性前后材料表面表面能的测定
• 4.6 微弧氧化膜层的形成机理探讨
• 4.7 本章小结
• 第五章 镁合金微弧氧化膜层的相结构研究
• 5.1 前言
• 5.2 利用XRD 仪器相结构的研究方法
• 5.3 不同穿透厚度微弧氧化膜层的相组成
• 5.4 不同工艺下膜层中Mg3（P04）2、MgO 和MgA1204 相结晶度的计算
• 3（P0₄）₂ 相晶粒尺寸和晶格常数的影响'>5.5 电压对MgO 和Mg₃（P0₄）₂相晶粒尺寸和晶格常数的影响
• 3（P0₄）₂（200）峰晶粒尺寸和晶格常数的影响'>5.5.1 电压对膜层中Mg₃（P0₄）₂（200）峰晶粒尺寸和晶格常数的影响
• 5.5.2 电压对膜层中MgO （200）峰晶粒尺寸和晶格常数的影响
• 5.6 不同工艺下膜层中MgO 相的残余应力变化规律
• 5.6.1 不同电压对膜层中MgO 相的残余应力变化规律
• 5.6.2 不同氧化时间对膜层中MgO 相的残余应力变化规律
• 5.6.3 Mg 基体的残余应力
• 5.7 本章小结
• 第六章 微弧氧化膜层耐腐蚀性能研究
• 6.1 前言
• 6.2 失重法微弧氧化膜层在SBF 溶液中耐蚀性能
• 6.2.1 不同电解液浓度下制备的膜层腐蚀行为
• 6.2.2 不同电压下制备的膜层腐蚀行为
• 6.2.3 不同氧化时间下制备的膜层腐蚀行为
• 6.2.4 不同电源频率下制备的膜层腐蚀行为
• 6.2.5 未涂层试样与涂层试样腐蚀后扫描形貌对比
• 6.3 微弧氧化膜在电化学极化试验中的腐蚀性能
• 6.3.1 不同参数下制备的MAO 膜层的动电位极化曲线
• 6.3.2 未涂层试样与涂层试样的电化学极化试验后扫描形貌对比
• 6.4 电化学阻抗分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件