定向凝固多孔医用Mg-Zn合金的研究

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本论文采用Bridgman型定向凝固法成功制备出藕状多孔Mg-Zn合金。研究了不同锌含量和氢气压力对气孔形貌的影响。通过理论计算对Mg-1Zn的孔隙率进行了预测。并所制得的多孔纯Mg、Mg-1Zn和Mg-2Zn合金试样进行了一系列的体外降解测试,包括腐蚀产物去除前后的宏观观察分析和扫描电镜观察分析、腐蚀过程中的p H值变化分析、失重分析、动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试。结果表明,随着Zn含量从0增加到2%,平均孔径增加。随着氢气压力从0.1MPa增加到0.6MPa,Mg-1Zn合金的孔隙率明显降低。基于氢气在多组分熔融金属中溶解度的计算模型,Mg-1Zn合金铸锭凝固高度为20mm的孔隙率的计算结果与模型的结果比较吻合。通过观察组织,随着Zn含量的增加,凝固组织由柱状晶转变为等轴晶。研究了在不同凝固阶段的孔形成过程,可为定向凝固多孔MgZn合金在生物医用材料中的应用提供理论依据。三种多孔镁合金的腐蚀方式均为点蚀,不同之处在于多孔纯Mg的点蚀坑逐渐沿四周和纵深扩张形成大而深的腐蚀坑,而多孔Mg-Zn合金的点蚀坑则沿一定的方向慢慢扩张形成细而浅的丝状腐蚀坑。多孔Mg-1Zn和Mg-2Zn周围模拟体液的p H值变化幅度和规律较为接近,从开始的7.40经过90h才上升到最大值9.3左右,然后一直在9.25附近上下波动,多孔纯Mg的p H值的变化则比较迅速,在最初的20h内,从7.4迅速上升到9.4左右,然后经过120h的时间缓慢降至9.2左右;所以,多孔Mg-1Zn和Mg-2Zn的植入不会导致植入部位p H值的迅速变化,有利于维持体内原有的生理环境。多孔纯Mg的失重速度最快,Mg-1Zn次之,Mg-2Zn最慢,且多孔Mg-Zn合金的失重速率远小于多孔纯Mg,这表明合金元素Zn的增加极大的提高了纯Mg的耐腐蚀性能。动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试结果表面,多孔Mg-1Zn和Mg-2Zn的析氢过电位高于多孔Mg的析氢过电位,即阴极析氢反应更容易在多孔Mg表面进行,而在阳极区内,三种合金的极化曲线也较为相似,即阳极极化曲线变化平滑并未出现明显拐点,这表明合金表面的腐蚀产物对基体并未起到有效的保护作用。在阻抗谱中,容抗半环的半径按照多孔纯Mg、Mg-1Zn和Mg-2Zn的顺序依次增大,表明耐腐蚀性也依次增大。
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