镁基金属复合生物材料的制备及其性能研究

论文题目镁基金属复合生物材料的制备及其性能研究硕士学位论文摘要I摘要镁及镁合金因与自然骨的力学性能相近且具有良好的生物相溶性，作为可降解的骨植入材料受到很大的关注。但是，镁合金易发生电化学腐蚀,过快的腐蚀速率易导致植入失败。通过调整材料成分、组织结构，采用新的材料制备技术及表面处理等方法制备新的镁合金或镁基复合材料降低材料的腐蚀速率是当今生物材料研究的热点。本研究选用纯镁为基体材料，以镁的氧化物（MgO陶瓷粉末）或将20.21wt%ZnO或20.21wt%ZnO与10wt%HA的混合粉末作为增强相添加添加到镁基体中，采用粉末冶金的方法，制备了三种镁基金属复合材料，即：不同MgO含量的MgO/Mg复合材料，或通过原位生成MgO和Mg-Zn合金，制备的MgO/Mg-Zn/Mg复合材料或MgO/Mg-Zn/HA/Mg复合材料。最后采用阳极氧化法和阳极氧化-聚乳酸涂覆的方法在复合材料的表面分别制备了MgO涂层和PLA/MgO复合涂层。对复合材料的力学性能（主要包括表面硬度和抗拉强度）进行了测试。通过浸泡法（包括pH值测量法和失重法）和电化学方法（动电位扫描法和交流阻抗法），研究复合材料和涂层在人工模拟体液（SBF液）中的腐蚀速率及腐蚀行为。运用X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）等先进设备对复合材料抛光表面、腐蚀表面、腐蚀产物和涂层的物相、成分和形貌进行表征。主要研究结果如下：1）采用粉末冶金的方法制备了第二相含量精确，分布均匀的MgO/Mg镁基金属复合材料。模拟体液中的浸泡实验和电化学实验的结果一致表明，复合材料与纯镁金属有类似的腐蚀行为；相对于纯镁金属，复合材料中的MgO在镁基体中的均匀、连续分布，可以提高镁基金属复合材料整体的耐腐蚀性能，且随着MgO的含量的增加，复合材料的腐蚀降解速率减小；然而，MgO/Mg复合材料的耐蚀性能的提高部分牺牲了力学性能。复合材料的力学性能随着MgO的含量的增加呈减小趋势。2）采用粉末冶金的方法，通过原位反应机理制备了MgO/Mg-Zn/Mg和MgO/Mg-Zn/HA/Mg镁基金属复合材料。XRD和SEM结果显示，均匀分布于镁基体颗粒间的为MgO与Mg-Zn金属间化合物的混合组织或MgO与Mg-Zn金属间化合物和HA的复合组织。模拟体液中的浸泡实硕士学位论文摘要II验和电化学实验分析结果一致表明，MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料与纯镁有类似的腐蚀行为，相对于MgO/Mg复合材料，MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg镁基金属复合材料呈现出更好的耐腐蚀性能；力学性能研究表明，MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的力学性能有显著的提高；HA在复合材料中的存在，能提高材料的力学性能，但对提高复合材料的耐蚀性贡献不大。3）以MgO/Mg-Zn/Mg复合材料为基底，在不同的阳极电位下制备了不同厚度的Mg(OH)2涂层，其中0.2V的电位下制备的涂层最致密，但厚度难以提高。致密的Mg(OH)2涂层经450℃煅烧后得到多裂纹的MgO涂层，再经聚乳酸PLA溶液的涂布后，不仅可以起到封孔的作用，还能在MgO涂层的表面覆盖一层新的PLA高分子涂层，得到PLA/MgO复合涂层。动电位扫描和交流阻抗的结果表明，多裂纹的MgO涂层可以对基底材料起到一定的保护作用，但经PLA高分涂覆后，可以更有效地阻止介质与基底接触，从而进一步提高材料的耐蚀性能。关键词镁基金属复合材料，生物降解，耐蚀性，粉末冶金，阳极氧化硕士学位论文ABSTRACTIIIABSTRACTMagnesiumanditsalloysareattractingmoreandmoreattentionsasimplantmaterialsforitsrelativeclosemechanicalpropertiestonaturalboneandgoodbiocompatibility.Unfortunately,magnesiumalloysdegradetoofastduetothepositiveactivitiesinchemistry,whichmaycausetheimplantationfailed.Therefore,thestudyondecreasingthecorrosionrateofMgalloysandMg-basedcompositesthroughadjustingthecomponentsandstructureofthematerialsand/oradoptingnewfabricationtechnologyandsurfacemodificationbecomesahotspot.InthisstudythreekindsofMg-basedmetalmatrixcomposites(MgO/Mg,MgO/Mg-Zn/MgandMgO/Mg-Zn/HA/Mg)werepreparedbypowdermetallurgy,wherein,puremagnesium,amacro-elementofhumanbody,wasusedasmatrixandMgOpowderor20.21wt%ZnOorapowdermixtureof20.21wt%ZnOand10wt%HAastheaddition.MgOcoatingandMgO/PLAcomplexcoatingwerefabricatedonMgO/Mg-Zn/Mgcompositesurface,respectively,byusingAnodicOxidationandcombinedAnodicOxidationanddipcoatingofPLAprocess.Themechanicalpropertiesofthecomposites,i.e.thetensilestrengthandhardnessofthecompositeweretested.Thecorrosionpropertiesofthecompositeswithandwithoutcoatingswerestudiedinsimulatedbodyfluid(SBF)byimmersiontest(weightlosstestandpHvaluemeasurement)andelectrochemicalmeasurementsincludingpotentiodynamicpolarizationandelectrochemicalimpedancespectra(EIS).Thephasesandthemorphologyofthepolished,corrosionproductandthecoatingofthespecimenswereanalyzedbymeansofX-raydiffraction(XRD)andScanningelectronmicroscope(SEM)equippedwithEDX,respectively.Theresultsaresummarizedasfollows:1)MgO/Mgcompositematerialscontaining5wt%,10wt%and20wt%MgOasreinforcementphasewerefabricatedbypowdermetallurgy.TheresultsofSEMofthesefourcompositesshowthatMgOphasesevenlydistributeinMgmatrix.TheresultsofimmersiontestsandelectrochemicalmeasurementinSBFshowthatMgO/Mgcomposite硕士学位论文ABSTRACTIVmaterialshavesimilarcorrosionmechanismaspureMgmetalandthedistributionofMgOinMgmatrixplaysanimportantroleintheimprovementofcorrosionresistanceofcompositematerials.ThecorrosionresistanceincreaseswiththeincreaseofMgOaddition.TheMgO/Mgcompositematerialwith20wt%MgOexhibitsthebestenhancedcorrosionresistance.However,themechanicalpropertiesofMgO/MgcompositedeterioratewiththeincreaseintheamountofMgO.2）MgO/Mg-Zn/MgcompositeandMgO/Mg-Zn/HA/MgcompositereinforcedwithMgOceramicsandMg-ZnintermetallicsandwithMgOceramics,Mg-ZnintermetallicsandHAceramics,respectively,werefabricatedusingpuremagnesiumpowderand20.2wt%ZnOpowderbypowdermetallurgy.TheresultsofXRDandSEMindicatethatcompoundofMgOandMg-ZnorcompoundofMgO,Mg-ZnandHAuniformlyandconsecutivelydispersedinMgmatrix.TheresultsofimmersiontestsandelectrochemicalmeasurementsinSBFareconsistent,indicatingthatthecorrosionmechanismofthecompositeisthesameasthatofpureMg,andcomparedwithpureMg,theuniformlyandconsecutivelydistributedcompoundinMgmatrix,togetherwiththeadditionofZnelementgreatlycontributetotheimprovementofcorrosionresistanceandmechanicalpropertiesofthecomposite.Meanwhile,mechanicalpropertiesofthecompositeswereclosetothoseofnaturalbone.TheresearchalsoindicatesthattheexistenceofHAinmatrixwashelpfultotheenhancementofmechanicalpropertieswhiledolittletocorrosionresistance.3）Theas-grownMg(OH)2coatingonthesurfaceofMgO/Mg-Zn/Mgcompositewasdepositedunderfouranodicvoltages.Theresultsshowthatthecoatingdepositedat0.2Vwasthemostcompact,whereasitsthicknesscanhardlyincrease.Afterheat-treatedunder450℃,thecompactcoatingwasconvertedtomulti-crackedMgO.ComplexcoatingofMgOandPLAoncompositesurfacewaspreparedbydippingthecompositesubstratewithMgOcoatingintoPLAsolution.ThePLAnotonlyfunctionsasasealant,butalsoasanewPLAmacromoleculecoveront