医用镁钙锌合金成分设计及表面改性研究
【摘要】:医用镁合金作为可吸收的植入材料具有巨大的发展潜力。本课题通过从生物学和冶金学两方面考察相关元素的作用,优选出了钙和锌作为合金元素,并在查阅大量文献的基础上,对镁钙锌合金的成分进行了设计,熔炼出了两种相同钙含量、不同锌含量的镁钙锌合金,即Mg-1.0 wt.%Ca-0.3 wt.%Zn和Mg-1.0 wt.%Ca-1.0 wt.%Zn。随后对其进行热处理和离子注入表面改性,并对合金元素强化机制及合金在模拟体液(SBF)中的腐蚀行为进行了研究。通过和纯镁、镁铝锌合金(AZ91)的性能对比,评价了镁钙锌合金作为硬组织植入物的优势和特点。
实验结果表明,Ca和Zn能够细化镁合金的组织,在合金中形成二元相Mg_2Ca和三元相Mg_6Ca_2Zn_3,合金经过人工时效后,Mg_6Ca_2Zn_3相弥散析出。合金的压缩和弯曲性能测试结果表明,随锌含量的增加,合金的弯曲模量、抗弯强度、弯曲断裂挠度增大,压缩模量、抗压强度、压缩屈服点等略有降低。
应用高能真空金属离子注入技术将Ti离子和Zr离子在110 keV的能量下,分别以5×1016 ions/cm~2、1.0×10~(17) ions/cm~2、1.5×10~(17) ions/cm~2三种不同剂量注入到纯镁、镁钙锌合金和AZ91合金的表面。EDS和XPS分析结果表明,离子注入后,合金表面的元素含量随着注入剂量的增加而增大,注入的Ti离子在合金表面形成了TiO_2层。离子注入前后表面纳米压痕测试的结果还证实,离子的注入使合金表面硬度和模量均有一定程度的提高。
三电极体系测试结果表明,未经离子注入的镁钙锌合金的极化阻力远高于纯镁,但低于AZ91;Zr离子注入后合金的极化阻力均高于Ti离子注入的合金。镁钙锌和AZ91合金在SBF中的浸泡实验结果表明,经过相同时间的浸泡,AZ91的质量损失速率较低,其次为锌含量为1.0 wt.%的镁钙锌合金;离子注入后合金的腐蚀速率均显著降低,其中锌含量为1.0 wt.%的镁钙锌合金的腐蚀速率最低,其耐腐蚀性优于AZ91。镁钙锌合金与AZ91表面均有羟基磷灰石生成,具有较好的生物活性。
锌含量为1.0 wt.%的镁钙锌合金经离子注入后在SBF中表现最稳定,同时具有合适的弯曲和压缩力学性能,是性能最佳的合金。这种合金经离子注入后,其体内植入物制品表面积最高可达240 cm~2,能够满足一般体内植入物的表面积要求。
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1 |
满宝元,吕国华,张运海,刘爱华,张庆刚;离子束注入对聚四氟乙烯表面改性研究[J];原子与分子物理学报;2004年S1期 |
2 |
孙岩峰,杨雨时,薛磊,巫世杰;离子注入对铍表面改性的研究[J];稀有金属;1992年05期 |
3 |
张大伟,于维成,王中光;碳离子注入对Ti-6Al-4V合金疲劳寿命的改善[J];金属学报;1990年05期 |
4 |
张大伟;张新平;穆爱国;董人瑞;于维成;王中光;;离子注入对Ti合金疲劳行为的影响[J];表面技术;1992年05期 |
5 |
张光胜;韦美琴;;氮离子注入Cr_2O_3涂层的磨损性能研究[J];摩擦学学报;2006年05期 |
6 |
张向宇,白新德;锆合金表面改性研究进展[J];稀有金属材料与工程;2005年06期 |
7 |
张谷令;吴杏芳;顾伟超;陈光良;冯文然;牛二武;李立;吕国华;陈皖;范松华;刘赤子;杨思泽;;等离子体方法实现金属管件内表面改性研究进展[J];自然科学进展;2006年11期 |
8 |
陈宝清,王斐杰,刘井宏,史维东;硬质合金YG20模具离子注入材料表面改性研究[J];热加工工艺;1990年01期 |
9 |
丁晓非;曾葆青;林艾光;陈宝清;;离子束辅助沉积技术(IBAD)在冷作模具表面改性上的应用[J];真空;2010年04期 |
10 |
孙树滋,李杰;离子注入金属的实验研究[J];东北大学学报(自然科学版);1990年03期 |
11 |
张颖,胡正琼,王贻华;铝合金的离子束表面改性及其分析[J];机械工程材料;1996年04期 |
12 |
柴志刚,崔相旭,张宁,刘玉梅,史维东,宫泽祥;Mo离子注入Al_2O_3的表面改性[J];吉林大学自然科学学报;1995年03期 |
13 |
李国斌,赵宝荣,高平,葛朝晖,武仲河;离子注入改进陶瓷表面可焊性机理分析[J];兵器材料科学与工程;2001年04期 |
14 |
陈辉;离子注入高分子材料表面改性的研究进展[J];淮北煤炭师范学院学报(自然科学版);2004年04期 |
15 |
汤宝寅,王松雁,刘爱国,曾照明,田修波,王小峰,王浪平,PaulKChu;等离子体浸没离子注入及表面强化工艺的进展[J];材料科学与工艺;1999年S1期 |
16 |
吴起白,黄拿灿,胡社军,曾鹏,尹诗衡;WC-Co硬质合金离子束表面改性研究[J];金属热处理;2000年07期 |
17 |
刘宝昌,张祖培,肖荣,孙友宏;钛、氮离子注入改善人造金刚石性能的试验研究[J];金刚石与磨料磨具工程;2003年06期 |
18 |
陈辉,强颖怀,欧雪梅;离子注入技术在高分子材料表面改性中的应用[J];煤矿机械;2004年12期 |
19 |
路宇;;CJ—70排气阀堆焊Co—02合金层[J];新技术新工艺;1991年01期 |
20 |
邱艳玲,梁成浩,殷正安;离子注入对金属材料表面的改性[J];表面技术;1995年02期 |
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