發(fā)布時間：2017-10-17 13:25

  本文關鍵詞：飛秒激光制備鎂合金表面微納結構的演變機制及其性能研究

  更多相關文章： AZ31B鎂合金 飛秒激光微/納加工 陷光性 潤濕性 細胞毒性

【摘要】：隨著對材料表面微/納結構尺寸效應的認識,微/納制造技術已發(fā)展成為表面改性領域的研究熱點之一。飛秒激光微/納加工技術,突破了對加工材料種類和尺寸的限制,高效地實現(xiàn)了材料表面二維或三維微/納結構的可控加工,是一種應用前景廣泛的微/納制造技術。鎂合金不僅是一種輕質(zhì)高強的結構材料,而且有望成為一種新型可降解生物材料,因此具有廣闊的應用前景。目前,關于飛秒激光制備鎂合金表面微/納結構的研究很局限,飛秒激光燒蝕鎂合金可獲得的表面形貌種類及其相互作用機理均尚不清楚。本文開展飛秒激光制備鎂合金表面微納結構的研究,對于開發(fā)可控鎂合金功能性表面具有一定的指導意義。本文采用飛秒激光光柵掃描方式對AZ31B鎂合金表面進行燒蝕處理,重點研究了飛秒激光工藝參數(shù)對鎂合金表面微納結構的影響規(guī)律,測試并分析了飛秒激光制備的AZ31B鎂合金微納結構表面的陷光性能、潤濕性能和細胞毒性。主要內(nèi)容及結論如下:1.通過調(diào)控飛秒激光的能量密度和掃描速度,在AZ31B鎂合金表面成功制備了Fs-irradiated形貌和Fs-inscribed兩種形貌。Fs-irradiated典型的結構包括納米級FLIPSS波紋結構,顆粒結構和孔洞結構;Fs-inscribed形貌以溝槽結構為主。前者主要決定燒蝕形貌的種類,后者則主要影響燒蝕形貌的尺寸。2.在可見光范圍內(nèi)(400~800 nm),通過測試微納結構表面的光反射率來間接表征陷光性能的好壞。分析了工藝參數(shù)對光反射率的影響,結合三維表面形貌和粗糙度重點研究了四種典型微納結構表面陷光性差異的成因,并建立模型解釋其陷光機理。試驗結果表明,FLIPSS波紋結構降低了鎂合金表面的光吸收率;而顆粒結構、孔洞結構和溝槽結構陷光性很好。在可見光范圍內(nèi),溝槽結構的光吸收率最高可達93%,相比母材提高了43.1%。顆粒結構和孔洞結構表面的光吸收率集中在85%~90%范圍內(nèi),其波動性源于顆粒和孔洞的尺寸大小。3.通過測量接觸角的大小來表征微納結構表面的潤濕性能,記錄不同時刻接觸角的變化來判斷潤濕狀態(tài)的穩(wěn)定性。試驗結果表明,飛秒激光燒蝕后形成的納米級FLIPSS波紋結構、顆粒結構和孔洞結構表面均呈現(xiàn)疏水性,接觸角最大可達135°,但該疏水狀態(tài)并不穩(wěn)定,液體與鎂合金表面的化學反應導致接觸角減小;而溝槽結構表面呈現(xiàn)親水性,接觸角約為20°。4.采用Live/dead染色的方法來觀察小鼠成骨細胞在鎂合金微納結構表面的存活狀態(tài),并對培養(yǎng)24 h后的細胞形態(tài)進行觀察。試驗結果表明,飛秒激光制備的鎂合金表面微納結構能夠有效地改善材料表面引發(fā)的細胞毒性反應和細胞的鋪展狀態(tài)。表面粗糙度為1.729μm的顆粒結構,其表面細胞毒性反應較小,且細胞鋪展最佳并伴隨有偽足出現(xiàn)。
【關鍵詞】：AZ31B鎂合金 飛秒激光微/納加工 陷光性 潤濕性 細胞毒性
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.22;TG665
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 選題背景及意義11-12
• 1.2 微/納結構的潛在應用12-15
• 1.2.1 改善表面光學特性12-13
• 1.2.2 改變表面潤濕性能13-14
• 1.2.3 提高表面生物相容性14-15
• 1.3 制備微/納結構的方法15-16
• 1.4 飛秒激光制備表面微/納結構概述16-19
• 1.4.1 飛秒激光制備表面微/納結構種類及其研究進展16-18
• 1.4.2 飛秒激光制備鎂合金表面微/納結構的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.5 本文研究內(nèi)容和技術路線19-21
• 第二章 試驗材料、方法及設備21-27
• 2.1 試驗材料及預處理21
• 2.2 飛秒激光制備AZ31B鎂合金表面微納結構21-23
• 2.2.1 試驗主要設備21
• 2.2.2 試驗方法及工藝參數(shù)21-23
• 2.3 表征方法及設備23-25
• 2.3.1 表面形貌及成分分析23
• 2.3.2 表面光反射率測試23-24
• 2.3.3 表面接觸角測試24
• 2.3.4 體外細胞毒性測試24-25
• 2.4 本章小結25-27
• 第三章 不同工藝參數(shù)下AZ31B鎂合金表面飛秒激光燒蝕形貌27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 AZ31B鎂合金表面飛秒激光燒蝕宏觀形貌27-28
• 3.3 不同工藝參數(shù)下AZ31B鎂合金表面飛秒激光燒蝕微觀形貌28-36
• 3.3.1 Fs-irradiated微觀形貌28-34
• 3.3.2 Fs-inscribed微觀形貌34-36
• 3.4 飛秒激光燒蝕鎂合金微納米結構形成機理36-39
• 3.5 本章小結39-40
• 第四章 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金微納結構表面陷光性研究40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金表面微納結構三維形貌40-43
• 4.2.1 Fs-irradiated三維形貌40-41
• 4.2.2 Fs-inscribed三維形貌圖41-42
• 4.2.3 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金表面微納米結構粗糙度測試42-43
• 4.3 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金微納米結構表面陷光性測試43-45
• 4.3.1 Fs-irradiated表面反射率測試43-44
• 4.3.2 Fs-inscribed表面反射率測試44-45
• 4.4 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金微納結構表面陷光機理分析45-48
• 4.5 本章小結48-50
• 第五章 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金微納結構表面潤濕性研究50-57
• 5.1 引言50
• 5.2 表面潤濕性基礎理論50-52
• 5.2.1 Wenzel模型51
• 5.2.2 Cassie模型51-52
• 5.3 飛秒激光燒蝕鎂合金表面微納結構表面潤濕性測試52-56
• 5.3.1 接觸角測量結果52-54
• 5.3.2 潤濕性轉變現(xiàn)象54-56
• 5.4 本章小結56-57
• 第六章 飛秒激光燒蝕AZ31B鎂合金微納結構表面細胞毒性探索57-62
• 6.1 引言57
• 6.2 飛秒激光燒蝕鎂合金微納結構表面細胞Live/dead試驗57-59
• 6.3 飛秒激光燒蝕鎂合金微納結構表面細胞生長形態(tài)59-60
• 6.4 AZ31B鎂合金微納結構表面細胞毒性差異分析60-61
• 6.5 本章小結61-62
• 第七章 結論與展望62-64
• 7.1 結論62-63
• 7.2 進一步研究與展望63-64
• 參考文獻64-73
• 致謝73-74
• 攻讀碩士學位期間參加的科研項目和取得的研究成果74

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本文編號：1049090