镁合金生物陶瓷复合涂层的制备与性能研究

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镁合金是一种适合于医用的金属植入材料,无毒副作用、可降解性以及生物力学性能良好。另一方面,镁合金存在耐蚀性差和生物相容性不佳的缺点,限制了它的应用。因此,在不影响镁合金良好性能的前提下降低它的腐蚀速率并提高其生物相容性成为当前研究的重点。而对镁合金进行表面改性是重要的研究方法之一。研究首先采用微弧氧化(MAO)技术在镁合金表面进行探索性试验,得到较好的基础电解液、添加剂组合以及MAO工艺参数,在此基础上制备MAO涂层。另外,为进一步提升MAO涂层的耐蚀性和生物学性能,使用电泳沉积(EPD)法在MAO涂层上沉积纳米羟基磷灰石(HA)以制备微弧氧化-电泳沉积(MAO&EPD)复合涂层。采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对涂层的表面、断面形貌以及物相组成进行分析;利用附着力划痕仪测试涂层与镁合金基体之间的结合力;使用高温摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦学性能,采用慢拉伸试验机研究MAO&EPD复合涂层在模拟体液(SBF)中对镁合金应力腐蚀敏感性的影响;利用浸泡试验、析氢试验以及电化学试验分析涂层在SBF溶液中的耐蚀性能和腐蚀降解行为。通过相关试验得到如下结论:1)MAO涂层表面凹凸不平、多孔且有微裂纹,涂层由较厚多孔层和较薄致密层组成;纳米添加剂组合(ZrO2+CeO2)使涂层变得更加致密;MAO&EPD复合涂层表面平整,几乎无表面缺陷,涂层内部更加致密。2)MAO涂层的主要物相为MgO和MgF2,还有少量的Mg2SiO4,添加的纳米ZrO2、 Y2O3以及Ce02能进入到涂层中,MAO&EPD复合涂层中还出现了HA物相峰值。3)划痕试验证明纳米添加剂组合(ZrO2+CeO2)和(ZrO2+Y2O3)能提高MAO涂层和镁合金基体之间的结合力,但EPD处理对涂层结合力的影响不显著。4)摩擦磨损试验证明纳米添加剂组合(ZrO2+CeO2)能够改善MAO涂层的耐磨性,EPD处理能进一步提升MAO涂层的耐磨性;MAO涂层和MAO&EPD复合涂层前期的磨损机制为磨粒磨损,后期为疲劳磨损。5)慢拉伸试验证明镁合金表面的MAO&EPD复合涂层不能明显的降低镁合金在SBF溶液中的应力腐蚀敏感性。6)MAO涂层和MAO&EPD复合涂层能提升镁合金在SBF溶液中的耐蚀性,但MAO&EPD复合涂层的耐蚀性更好。相比无添加剂的MAO涂层,含有添加剂(ZrO2+CeO2)组合的MAO涂层的耐蚀性更好。在SBF溶液中的浸泡试验表明,MAO&EPD复合涂层无破损的浸泡期限能达到75天,远大于MAO涂层的45天;对浸泡过程中涂层表而和断面微观形貌、物相成分、氢气释放速率以及电化学腐蚀行为进行分析,并得到了电化学腐蚀过程中的等效电路图。7)在浸泡试验、析氢试验以及电化学试验分析的基础上,建立了MAO&EPD复合涂层在SBF溶液中的腐蚀降解模型图,并对涂层的降解机理进行了探讨。
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