【摘要】：鎂合金由于其可降解性、降解產(chǎn)物無毒、彈性模量與人骨相近等一系列優(yōu)點(diǎn),在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而鎂合金力學(xué)性能較差和降解速率過快導(dǎo)致其力學(xué)性能失效仍然是當(dāng)前研究的瓶頸問題,并且當(dāng)前對(duì)鎂合金降解的機(jī)理研究不成熟。合金化、熱處理和變形處理是提高鎂合金耐蝕性、力學(xué)性能方面的研究的主要方法,另外稀土元素在熔體凈化、細(xì)化晶粒、固溶強(qiáng)化等方面具有顯著的效果。本文選取Mg-Zn-xNd-xCa合金,通過SEM、TEM、XRD、FITR等分析手段,從合金化、熱處理和變形處理三方面進(jìn)行研究,探究Nd、Ca添加量,熱處理以及變形處理對(duì)Mg-Zn-xNd-xCa合金的微觀組織、耐腐蝕性能和力學(xué)性能的影響,并根據(jù)腐蝕產(chǎn)物測試結(jié)果,對(duì)Mg-6Zn-xNd-xCa合金的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:未添加Ca的Mg-6Zn-xNd合金的晶粒尺寸隨Nd添加量的升高而逐漸減小,晶粒大小均勻,第二相體積分?jǐn)?shù)逐漸增加,腐蝕速率先降低后升高,經(jīng)過T4處理,Nd添加量為0.5wt.%合金在模擬人體體液(SBF)中的腐蝕速率為2.75mm/a,V/G的值為0.089-0.192。將Ca元素加入Mg-6Zn-xNd合金中后,微觀組織方面,由于Ca元素的細(xì)化晶粒作用,Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金的晶粒得到細(xì)化,而經(jīng)過T4處理后合金晶粒尺寸變大;耐腐蝕性能方面,Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金在SBF溶液中的腐蝕速率先降低后升高,當(dāng)Ca添加量為0.8wt.%時(shí)腐蝕速率為3.93mm/a,經(jīng)過T4處理后,腐蝕速率降低至1.26mm/a;力學(xué)性能方面,Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能,Ca添加量為1.3wt.%的合金壓縮斷裂強(qiáng)度為320.6MPa,屈服強(qiáng)度為187.3MPa,T4處理后,由于固溶強(qiáng)化的作用,合金的強(qiáng)度提高,塑性有所下降,Ca添加量為0.3wt.%合金的抗壓強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高至319.3MPa和207.5MPa。對(duì)合金的腐蝕機(jī)理進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn),Cl~-在整個(gè)腐蝕過程中起到催化作用,但是由于NaOH、MgCl、Ca(OH)_2的存在,生成的表層致密且層狀堆積的Mg(OH)_2腐蝕產(chǎn)物,附著在合金表面,可以有效阻礙Cl~-的遷移,從而阻礙腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行,使Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金的耐蝕性得到提高。擠壓溫度為280℃和220℃時(shí)合金的表面光滑無裂紋,微觀形貌顯示,第二相破碎,形狀為不規(guī)則塊狀或斷裂的線狀。對(duì)Mg-6Zn-0.5Nd-0.5/0.8Ca合金進(jìn)行再結(jié)晶退火、固溶和時(shí)效處理(O+T6)后,合金的晶粒大小均勻,且晶粒為尺寸小的等軸晶,能夠有效阻礙腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行,從而使得腐蝕性能得到大幅提升,Mg-6Zn-0.5Nd-0.5/0.8Ca合金的腐蝕速率分別為0.82mm/a和2.98mm/a;與鑄態(tài)合金相比,耐腐蝕性能得到顯著提升。擠壓后O+T6熱處理的Mg-6Zn-0.5Nd-0.5/0.8Ca合金的力學(xué)性能得到顯著地提高。兩組合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均具有明顯的屈服平臺(tái),Mg-6Zn-0.5Nd-0.5Ca合金的彈性極限為168.54MPa,屈服強(qiáng)度為173.33MPa,抗拉強(qiáng)度為222.47MPa,伸長率為20.16%;Mg-6Zn-0.5Nd-0.8Ca合金的彈性極限為229.70MPa,屈服強(qiáng)度為235.78MPa,抗拉強(qiáng)度為287.15MPa,均高于Mg-6Zn-0.5Nd-0.5Ca合金,而伸長率為18.37%。合金的斷口多為等軸韌窩,韌窩直徑小,斷裂機(jī)制均為韌性斷裂。
【圖文】：

直接在體內(nèi)降解，就可減輕患者再次痛苦，這是其他生醫(yī)用金屬材料達(dá)不到的。生物醫(yī)用鎂合金的具體應(yīng)用實(shí)例如圖 1.1。圖1.1 鎂合金目前應(yīng)用的醫(yī)學(xué)器件（a）心血管支架[36]（b）MAGNEZIX螺釘（獲得歐洲CE標(biāo)志）[37]（c）喉顯微手術(shù)（純鎂）[38]（d）可降解骨科植入物[39]（e）創(chuàng)傷愈合輔助設(shè)備（WZ21）[40]

圖 1.2 的血管夾是由純鎂制備，此血管夾較傳統(tǒng)金屬血管夾相比，不會(huì)干擾 CT 掃描，不需要取出；與可降解聚合物制成的血管夾相比，其力學(xué)性能優(yōu)于后者。圖1.2 血管夾目前用于 Mg 松質(zhì)骨的主要材料是高純度 Mg，Mg-Ca 合金，Mg-Al 合金，和 Mg-稀土（RE）合金[43-46]。這些 Mg 松質(zhì)骨已經(jīng)植入小鼠股骨，豬股骨，羊髖骨和兔股骨軸[47,48]。Han[49]等人將未涂覆的高純 Mg 螺釘和 PLLA 螺釘植入兔股骨髁。研究表明 Mg螺釘均勻降解并且比 PLLA 螺絲更穩(wěn)定。Tan[50]等人將 Ti6Al4V 合金，PLLA 螺絲和AZ31B 合金，植入兔子的股骨 21 周后，根據(jù)他們的研究，AZ31B 合金與 Ti6Al4V 合金相比
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.22;R318.08

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2588114