镁合金丝/PLA复合材料的制备、界面强度和力学性能研究

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可降解聚乳酸的强韧性差,而医用镁合金的腐蚀速率太快,这些都制约了其临床应用。本文利用镁合金丝定向增强聚乳酸基体,采用热压成型工艺制备复合材料,并通过拉拔成型工艺和退火处理使得聚乳酸得到自增强,制备出高强度聚乳酸基复合材料棒材。通过单纤维拔出试验和分子动力学模拟方法研究了镁合金丝表面微弧氧化处理对复合材料两相界面性能的影响及强化机制。采用拉伸、弯曲、剪切等实验方法研究了镁合金丝微弧氧化处理和直径大小对复合材料力学性能的影响,探索了拉拔工艺及退火处理对复合材料中聚乳酸的微观组织、力学性能的影响,主要结论如下:镁合金丝微弧氧化处理能显著改善复合材料界面性能,复合材料两相界面平均剪切强度提高了369.8%,丝材临界埋入深度降低了77.4%,并使得复合材料的界面断裂由原先的界面控制转变为基体控制。对镁合金丝材直径为0.3 mm、含量为6vo1%的复合材料,微弧氧化处理可将复合材料弯曲强度从94 MPa提高至110 MPa,是纯聚乳酸的1.33倍。相同镁合金丝微弧氧化条件下,0.2 mm、0.3 mm、0.45 mm这三种直径镁合金丝对聚乳酸的强化效果明显,且复合材料界面平均剪切强度随丝材直径增大而提高,但直径为0.68 mm的镁合金丝强化作用差。界面强化的主要机制源于聚乳酸基体镶嵌在微弧氧化膜的多孔结构内形成的机械锁合作用以及微弧氧化膜粗糙表面增大的界面摩擦力作用,此外,界面分子间作用力的提高也是复合材料界面强化的一种机制,这要归于界面上聚乳酸的H和0原子分别对微弧氧化膜表面O离子和Mg离子的吸附取向。拉拔成型可显著提高复合材料中聚乳酸的结晶度和弹性模量,镁合金丝含量为20v01%时,拉拔后的复合材料拉伸和弯曲强度由最初的80 MPa和145 MPa分别提高到108 MPa和237 MPa,但剪切强度略有下降;退火处理使复合材料中聚乳酸结晶相沿(203)晶面择优生长,并将拉拔成型复合材料(镁合金丝含量为8vol%)的弯曲强度提高了24%32%,最高可达180 MPa,且退火温度升高,复合材料的力学性能趋于稳定。
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