近年來作為潛在植入材料的鎂合金引起了廣泛的關注,其中包括Mg-Zn,Mg-Sr,Mg-Ca,Mg-RE體系。然而,降解可控的Mg合金的開發(fā)面臨著一些新的挑戰(zhàn)。首先,要保證材料具有較高的強度,避免降解過程中強度損失過快,導致失效。其次,點蝕及一些表面缺陷會導致合金強度快速下降。最后,目前大多數(shù)鎂合金的降解速率快于組織愈合速率,釋放氫氣和局部堿化都會對周圍組織造成傷害。因此傳統(tǒng)鎂合金由于其耐蝕性較差,導致植入前期降解過快,作為支撐材料其力學性能遭到破壞限制了其發(fā)展。后來人們通過快速冷卻的手段制備得到鎂基非晶合金,通過對鎂基非晶的研究發(fā)現(xiàn)它們具有比純Mg及傳統(tǒng)鎂合金更高的強度和更低的彈性模量。同時由于其沒有第二相的存在,減少了電偶腐蝕的影響提高了材料的耐蝕性,打開了其應用瓶頸。基于課題組前期實驗表明,在Mg_(69)Zn_(27)Ca_4合金中引入0.5at.%及1at.%的Mn元素后,合金的耐蝕性得到明顯的提高且延伸率也得到相應的的提高,但其添加Mn元素跨度較大。因此本研究通過在共晶點附近的Mg_(66)Zn_(30)Ca_4合金中引入0.3at.%、0.5at.%、0.8at.%及1.2at.%的Mn元素,通過調(diào)控合金化元素以及冷卻速率制備MgZnCaMn晶態(tài)/非晶態(tài)復合材料。實驗表明在Mg_(66)Zn_(30)Ca_4合金中引入0.8at.%的Mn元素后在模擬體液(PBS)中自腐蝕電流密度i_(corr)為1.43×10~(-5) Am/cm~2,表現(xiàn)出最好的耐蝕性。接著又研究了冷速對合金的組織和性能的影響,制備了1mm、2mm及3mm的合金棒。靜態(tài)壓縮實驗發(fā)現(xiàn)直徑2mm的Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)合金的壓縮應變?yōu)?.32%,斷裂強度為501MPa,表現(xiàn)出綜合性能較好的耐蝕性及機械性能。隨后在直徑2mm的Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)合金中添加具有生物相容性的Sr(0.3at.%、05at.%及0.8at.%)、Sn(0.5at.%、0.8at.%及1.2at.%)微合金化元素,研究合金化元素對合金的力學及耐蝕性的影響。研究發(fā)現(xiàn)適量Sr的添加,使合金的強度及耐蝕性都有所提高。其主要原因是0.3at.%、0.5at.%Sr的添加使合金成分靠近共晶點成分,提高了合金的非晶形成能力(GFA),因而合金組織中非晶相的含量增加,從而提高了合金的強度及耐蝕性。靜態(tài)壓縮實驗表明Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)Sr_(0.5)合金的強度為621MPa,壓縮應變?yōu)?.99%,其腐蝕電流密度為1.61×10~(-5) Am/cm~2。0.8at%Sr的添加,使合金偏離了共晶點,在合金組織中析出了較多的第二相,從而降低了材料的耐蝕性。而Sn的添加,使合金組織中表現(xiàn)為細小彌散雪花狀的晶態(tài)相,因此較Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)合金相比,耐蝕性稍微有所降低,但自腐蝕電流密度仍低于純鎂。且添加0.5at.%的Sn后,合金的自腐蝕電流密度與Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)合金在同一數(shù)量級。由于Sn的添加使合金體系向晶態(tài)轉變,從而合金的強度降低,塑性增加。添加0.5at.%的Sn合金的強度為412MPa,壓縮塑性為2.67%。隨著Sn含量的增加,合金的強度和耐蝕性逐漸降低,塑性提高。綜合力學及耐蝕性,Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)Sr/Sn_(0.5)可以滿足作為骨科植入材料的要求。最后研究了Sr、Sn元素對Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)合金的生物相容性的影響。通對大鼠前成骨細胞體外毒性實驗表明,浸提3天30%的Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)Sr/Sn_(0.5)合金浸提液與大鼠前成骨細胞共培養(yǎng)3天后,細胞相對增值率分別為1.16、1.06,表明了添加0.5at.%的Sr、Sn具有良好的細胞相容性,細胞毒性為0級。體外抗菌實驗表明,浸提1天后合金浸提液與金黃色葡萄球菌共培養(yǎng)的第1天抗菌率為70%左右。將細菌與浸提液繼續(xù)共同培養(yǎng)3天后,浸提1天浸提液的抗菌率在94%左右,而浸提3天浸提液的抗菌效果達到了98%左右。Mg_(65.2)Zn_(30)Ca_4Mn_(0.8)Sr/Sn_(0.5)兩種合金都表現(xiàn)出良好的細胞相容性及抗菌性能。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：R318.01;TB33
【部分圖文】：

3 Mg66-XZn30Ca4Mnx(x=0.3，0.5，0.8 和 1)樣品 a) x=0.3, b)x=0.5, c)x=0.8 和 d)xSEM 背散射圖譜3 SEM backscattered electron images of the Mg66-XZn30Ca4Mnx, a) x=0.3, b) x=0.5,and d) x=1.2, alloys.Mn 的添加對 Mg66Zn30Ca4耐蝕性的影響 2.4 為 Mg66-xZn30Ca4Mnx(x=0.3、0.5、0.8 和 1.2)合金棒樣品在 37℃，極化曲線。從極化曲線可以看出，適量的 Mn 的添加有利于自腐蝕電。添加 0.8%的 Mn 后，合金的腐蝕電位為-1.07V。當繼續(xù)添加 Mn 的時候，自腐蝕電位有發(fā)生了負移的現(xiàn)象。而添加 0.5%的 Mn 的時候一個“Z”字形的區(qū)域，可能是由于在該區(qū)域合金的表面產(chǎn)物的破壞后用的表現(xiàn)[69,70]。極化曲線的實驗結果采用Rp擬合法，擬合得到電化學 2.2 可以看出，添加 0.8%Mn 合金的阻抗為 760Ω·cm2，對應的自腐 1.43E-5。由擬合參數(shù)可以知道，自腐蝕電流密度 icorr隨自腐蝕電位-5

圖 2.7 BM3 合金的腐蝕過程模擬圖chematic corrosion process of the Mg65.2-xZn30Ca4Mn0.8Srx(x=immersed in the PBS solution. Mg66Zn30Ca4性能的影響的調(diào)控發(fā)現(xiàn)在 Mg66Zn30Ca4合金中添加 0.8at.%的 M性，因此具有更好的應用前景。但由于 1mm 的合開發(fā)尺寸較大的植入材料。因此針對 Mg65.2Zn30Cam、 2mm 及 3mm 的銅模。制備不同尺寸的合金影響，為后續(xù)的生物醫(yī)用鎂合金的研究，提供具有應藝。 Mg65.2Zn30Ca4Mn0.8的組織和結構的影響徑 1mm、2mm 及 3mmMg65.2Zn30Ca4Mn0.8合金棒的在直徑 1mm 的合金中，主要為 -Mg，以及 MgZn、，合金中第二相峰明顯增多，主要表現(xiàn)為 MgZn 相向 M

圖 2.10 不同冷速下的 Mg65.2Zn30Ca4Mn0.8背散射 SEM 圖譜 a) 1mm，b) 2mm，c)3mmFig.2.10 Surface morphologies of Mg65.2Zn30Ca4Mn0.8alloy, a) 1mm，b) 2mm，c) 3mm為了進一步分析冷速對合金結構的影響，對直徑分別為 1mm、2mm 及 3mm的 Mg65.2Zn30Ca4Mn0.8合金進行 SEM 觀察。圖 2.10 為 SEM 背散射衍射結果，直徑1mm 的合金中，由于添加了 Mn 元素，促進了形核，在非晶的基體上有大量細小的枝晶形成。根據(jù)在背散射下的襯度表明，這種枝晶相為 Mg。直徑 2mm 的合金組織中，由于冷速的降低，合金中除了枝晶有長大的趨勢外，還有白亮色顆粒狀的第二相析出。EDS 結果表明，這種白亮色的第二相為 Mn 單質(zhì)。在枝晶相的晶界處有灰白色的第二相析出，EDS 結果表明這種灰白相含有 Mg、Zn、Ca 元素，結合XRD 結果推測這種灰白色的第二相為 Mg2Zn3相及 CaMg2相。當進一步降低冷速后發(fā)現(xiàn)，這時組織中主要為枝晶相，在枝晶的晶界處有白色的第二相析出，EDS 結果表明這種白色的第二相為 Mg2Zn3及 CaMg2，而細小的白亮相仍為析出的 Mn 單質(zhì)。除此之外，在枝晶周圍還有少量的灰色非晶相。
【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 李濤;張海龍;何勇;張金玲;王西濤;;生物醫(yī)用鎂合金研究進展[J];功能材料;2013年20期

2 惠希東;董偉;王美玲;劉雄軍;于家伶;陳國良;;超常塑性Mg_(77)Cu_(12)Zn_5Y_6塊體金屬玻璃基內(nèi)生復合材料[J];科學通報;2006年02期

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本文編號：2837526