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基于生物医用的镁锌基合金力学及耐腐蚀性能研究

作　者: 李雷
导　师: 关绍康
学　校: 郑州大学
专　业: 材料学
关键词: 镁锌基合金显微组织力学性能耐腐蚀性能模拟体液
分类号: TG146.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

可降解生物材料因植入生物体后可在体内不断分解、且分解产物能被生物体所吸收或排出体外,已成为当前生物材料领域的国际研究前沿与热点。目前在骨植入材料中应用较多的可降解生物材料主要是高分子聚合物如聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）,然而这些材料的强度一般较低,很难承受较大的负荷,而且降解产物呈酸性,容易引起炎症。镁及其合金不仅具有良好的力学性能,而且对人体无毒、通过腐蚀可在体内逐步降解,因而作为一种极有发展潜力的可降解植入生物材料日益受到人们的青睐。但是现有的镁合金在生理环境下降解速率太快,往往在骨组织没有愈合就失去了应有的承载能力。所以制备出既有一定力学性能,又具有较好耐腐蚀性的镁合金,具有较高的实用价值。本文对Mg-2.1wt.%Zn-0.22wt.%Mn、Mg-2.1wt.%Zn-0.22wt.%Ca和Mg-1.99wt.%Zn-0.17wt.%Ca-0.51wt.%Si合金进行组织、力学性能和耐腐蚀性能研究。三种合金的组织分别为α-Mg+α-Mn、α-Mg+Ca₂Mg₆Zn₃和α-Mg+Mg₂Si。其中Mg-2.1Zn-0.22Ca合金晶粒度为85μm,拉伸强度达到172MPa、伸长率为11%;模拟体液中自腐蚀电位为-1.71V、质量损失速率为0.9g/（cm²·year）,力学性能和自腐蚀性能较好。对合金Mg-2Zn-xCa（x=0.024wt.%、0.022wt.%、0.29wt.%、0.46wt.%）进行显微组织、力学、耐腐蚀性研究,结果表明:随着Ca含量的增加,第二相Ca₂Mg₆Zn₃的含量也增加,并在晶界处从不连续分布到连续分布,当Ca含量为0.46wt.%时,第二相聚集在晶界处,形成粗大的网状结构;力学和耐腐蚀性能都出现先增强后降低的规律,其中Mg-2.1Zn-0.22Ca合金的力学和耐腐蚀性能较好。在保证一定的耐腐蚀性条件下,为了进一步提高合金的性能,本文又对Mg-2.1Zn-0.22Ca合金进行了不同工艺条件的热处理,对热处理后的合金分别做了显微组织、力学性能、耐腐蚀性能的研究,结果表明:在相同的温度条件下,随着保温时间的延长,第二相Ca₂Mg₆Zn₃逐渐减少,发生固溶的第二相增多;而在相同的保温时间里,随着热处理温度的升高,第二相Ca₂Mg₆Zn₃也逐渐减少。随着保温时间的延长,合金的拉伸性能先出现增加,然后又出现下降的趋势,其中以360℃固溶处理4h得到合金的力学性能较好,其拉伸强度为210MPa,伸长率为21%,同铸态合金相比,其拉伸强度增加24%、伸长率提高90%。通过电化学腐蚀对不同热处理条件下的合金耐腐蚀性能进行研究。结果表明:同一热处理温度随着保温时间的延长以及同一保温时间随着热处理温度的升高,合金的耐腐蚀性能稍有下降;失重试验和pH检测也证实了这个变化规律。热处理后合金的电位整体比较接近,介于-1.83V到-1.75V之间,与铸态合金腐蚀性能相比差别不大。试验证实:通过热处理提高了合金的力学性能,而合金的耐腐蚀性能并没有明显的降低。同样在360℃进行保温4h的固溶处理,相对于Mg-2.16Zn-0.29Ca和Mg-2.06Zn-0.46Ca合金,Mg-2.1Zn-0.22Ca合金的力学性能和耐腐蚀性最好,具有较好的综合性能。本文基于生物医用可降解材料出发,通过合金成分及热处理工艺的优化,得到了力学性能和耐腐蚀性能相匹配的Mg-2.1Zn-0.22Ca合金,为进一步研究其生物相容性和作为植入体使用奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 镁合金作为生物材料的特性及优势  11-13
  1.2 镁合金生物材料的研究现状及发展趋势  13-14
    1.2.1 镁合金生物材料的研究现状  13-14
    1.2.2 镁合金生物材料的发展趋势  14
  1.3 本课题的意义及目标  14-17
    1.3.1 本课题的意义  14-16
    1.3.2 本课题的目标  16-17
  1.4 研究内容及技术路线  17-19
第二章实验方法及分析手段  19-28
  2.1 合金的制备  19-22
    2.1.1 合金成分的设计  19-21
    2.1.2 熔炼及浇注过程  21-22
  2.2 显微组织分析  22-23
    2.2.1 金相显微分析  22
    2.2.2 XRD衍射分析  22-23
    2.2.3 SEM及EDS分析  23
  2.3 力学性能分析  23-25
    2.3.1 硬度  23-24
    2.3.2 拉伸性能  24
    2.3.3 压缩性能  24-25
    2.3.4 抗弯性能  25
  2.4 腐蚀性能分析  25-28
    2.4.1 电化学腐蚀分析  25-26
    2.4.2 失重分析  26-27
    2.4.3 pH值分析  27-28
第三章 Mg-2Zn-0.2x-(0.5Si)(x=Ca,Mn)组织及性能  28-38
  3.1 合金的显微组织  28-32
    3.1.1 Mg-2Zn-0.2x-(0.5Si)合金相组成  28-29
    3.1.2 Mg-2Zn-0.2x-(0.5Si)合金金相组织  29-30
    3.1.3 SEM和EDS分析  30-32
  3.2 合金元素对合金力学性能的影响  32-33
    3.2.1 显微硬度  32
    3.2.2 拉伸性能  32-33
  3.3 合金元素对合金耐腐蚀性能的影响  33-36
    3.3.1 电化学腐蚀性能  33-35
    3.3.2 失重试验  35-36
    3.3.3 pH值分析  36
  3.4 本章小结  36-38
第四章钙含量对镁锌钙合金组织与性能的影响  38-51
  4.1 显微组织  38-41
    4.1.1 合金相组成  38-39
    4.1.2 合金金相组织  39-40
    4.1.3 SEM和EDS分析  40-41
  4.2 Ca元素对铸态合金力学性能的影响  41-45
    4.2.1 拉伸性能  42
    4.2.2 抗弯强度  42-43
    4.2.3 抗压强度  43-44
    4.2.4 Ca元素对镁锌钙合金力学性能的影响机理  44-45
  4.3 Ca含量对铸态合金耐腐蚀性能的影响  45-50
    4.3.1 电化学性能  45-47
    4.3.2 失重分析  47-48
    4.3.3 pH值分析  48-49
    4.3.4 Ca元素对合金耐腐蚀性能影响的机理分析  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章热处理对Mg-2.1Zn-0.22Ca合金性能的影响  51-69
  5.1 热处理对合金力学性能的影响  52-57
    5.1.1 加热温度对合金力学性能的影响  53-56
    5.1.2 保温时间对合金力学性能的影响  56-57
  5.3 热处理对合金耐腐蚀性能的影响  57-64
    5.3.1 热处理对合金电化学腐蚀性能的影响  57-60
    5.3.2 热处理对合金在模拟体液中失重的影响  60-62
    5.3.3 热处理对合金在SBF中pH值变化的影响  62-64
  5.4 热处理对Mg-2.1Zn-0.22Ca合金的影响机理  64-66
  5.5 验证实验  66-67
    5.5.1 力学性能  66
    5.5.2 耐腐蚀性能  66-67
  5.6 本章小结  67-69
第六章主要结论  69-70
参考文献  70-75
攻读硕士学位期间参加的项目和发表的论文  75-76
致谢  76

基于生物医用的镁锌基合金力学及耐腐蚀性能研究

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