镁合金微弧氧化膜的制备与腐蚀降解行为研究

来源 :湖南科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vincent_iong
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镁合金具有弹性模量低、密度与人骨接近以及体内可降解等优点,成为可降解生物材料研究的热点,但其在体液中腐蚀降解速度过快,制约了临床应用。微弧氧化是一种有效的表面处理技术,能提高镁合金的耐蚀性和生物相容性。针对钙磷盐具有良好生物活性,但在无机磷酸盐中制备的氧化膜耐蚀性不够理想的现状,本文以食品添加剂植酸钠为主要组分,研究了不同钙盐对微弧氧化膜性能的影响,遴选出能生成含钙磷氧化层的含钙电解质。采用正交实验法优化最佳工艺,探讨了微弧氧化膜的成膜机理以及在模拟体液中的腐蚀降解规律。主要研究结论如下:1.在6g/L氢氧化钠和15g/L植酸钠的电解液中,分别添加CaCO3、Ca(OH)2、Ca(CH3COO)2和Ca(H2PO4)2等钙盐制备微弧氧化膜,研究表明氧化膜层中Ca含量都得到了提高,其中添加CaCO3制备的氧化膜层中Ca元素增加最多;点滴实验和电化学极化曲线分析表明,添加CaCO3显著提高了氧化膜的耐蚀性。由于筛选出的CaCO3能改善氧化膜的表面微观形貌和耐蚀性,并能提高膜层中Ca含量,因此确定CaCO3为最佳钙盐添加剂。2.利用正交实验法研究了氢氧化钠、植酸钠和碳酸钙浓度以及氧化时间对氧化膜的耐蚀性、厚度、终电压以及膜层Ca、P元素含量的影响。实验结果表明,氢氧化钠浓度的增加,降低了氧化膜的厚度、耐蚀性、终电压以及膜层中Ca、P元素的含量;植酸钠浓度的增加,氧化膜中P元素含量增加,但终电压逐渐下降;氧化时间的延长,降低氧化膜中的P元素含量,但逐渐增加Ca元素的含量;碳酸钙浓度的增加,使氧化膜的厚度、耐蚀性、终电压以及膜层中Ca元素含量先增加后降低。微弧氧化膜制备的最佳工艺为氢氧化钠3g/L、植酸钠15g/L、碳酸钙5g/L、氧化时间5min。3.利用涡流测厚仪、SEM、EDS、XRD等手段表征了最佳工艺时氧化膜层的厚度、微观形貌、组成和相结构。氧化膜表面微孔分布均匀,微孔孔径约为1.5~2.5m,微孔孔隙尺寸约为3~5m;膜层的厚度为20m,其中疏松层约15m,致密层约为5m。镁钙合金基体相结构为Mg、Mg2Ca,而微弧氧化膜相结构主要为Mg、MgO、CaHPO4、MgCO33H2O、(Ca,Mg)CO3。氧化膜层中P元素面分布结果表明电解液中的植酸钠参与了氧化膜的形成;Ca元素面分布结果表明氧化膜优先在-Mg相和Mg2Ca相两相交界处的-Mg相中生长,然后向-Mg相中横向生长。4.在模拟体液中,采用电化学极化曲线、浸泡腐蚀实验等方法评价了氧化膜的耐蚀性和腐蚀降解规律。实验结果表明,镁合金基体自腐蚀电流密度为1.033×10-5A/cm2,自腐蚀电位为-1.655V;而微弧氧化膜自腐蚀电流密度为1.627×10-6A/cm2,自腐蚀电位为-1.478V。微弧氧化处理显著降低了镁合金的腐蚀降解速率。随着浸泡时间的延长,氧化样品失重率逐渐降低,并会出现增重现象;析氢量逐渐增加,溶液pH值逐渐上升;浸泡11天后,析氢速率减少并逐渐趋于平稳,溶液pH值的上升趋势变得缓慢。5、采用SEM、EDS、XRD等分析手段对腐蚀降解产物进行了研究。结果表明,在模拟体液浸泡过程中主要腐蚀降解产物为MgO、Mg(OH)2、(Ca,Mg)CO3、CaHPO4,且随着浸泡时间延长,CaHPO4、(Ca,Mg)CO3、Mg(OH)2的含量逐渐增加;浸泡十天后,Mg峰随浸泡时间的延长而逐渐增强。
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