医用锆材、铌材微弧氧化膜的制备表征及其特性研究

论文摘要

锆材和铌材对人体安全无毒且具有优异的力学性能,是极具潜力的医用金属材料。然而锆材和铌材本身是生物惰性材料,需要通过表面改性在其表面形成具有生物活性的膜层才能改善锆材和铌材与骨组织的结合性能。微弧氧化技术被证明能有效提高医用钛材的生物活性,目前,该技术在医用锆材和铌材上的应用研究尚处于起步阶段。本文采用微弧氧化技术分别在医用锆材和铌材表面原位生成一层富含钙磷元素的多孔状氧化膜层,研究了医用锆材和铌材微弧氧化时的电参数特性和电参数（电压、电流、占空比、频率等）对其微弧氧化膜层厚度、表面形貌、相组成和各元素相对含量的影响,通过方差分析量化了各参数对锆微弧氧化膜层厚度的影响,从脉冲总能量角度探讨了电参数对微弧氧化膜层的影响机理。采用体外模拟体液浸泡试验、纳米压入试验和划痕试验对医用锆材、铌材微弧氧化后的生物活性和相关力学性能进行了表征。研究结果表明,用锆材和铌材经微弧氧化处理后都在表面形成一层多孔状的氧化膜,膜层由致密层和疏松层组成,膜基结合良好。在含钙磷的溶液中得到的微弧氧化膜层主要由基体元素和O、Ca、P元素组成,其中O、Ca、P含量由膜表面向基体递减。锆材经微弧氧化后生成的膜层主要由m-ZrO2和t-ZrO2组成,铌材经微弧氧化后生成由非晶Nb2O5构成的氧化膜层。医用锆材和铌材经过微弧氧化处理后都表现出良好的生物活性,膜层的杨氏弹性模量明显下降。电参数对医用锆材和铌材的微弧氧化有相同的影响规律和机理：（1）电参数主要通过影响脉冲总能量来影响微弧氧化膜层的厚度（生长）、相组成及表面相貌。随着阳极电压的升高或电流密度的增大,微弧氧化后的膜层厚度呈抛物线上升趋势增长,微孔孔径增大,单位面积的微孔数量减少,且膜层粗糙度增加,裂纹宽度增加；随着占空比的升高,膜层厚度略有增加,但增长速率减小,形貌也呈现出与电压或电流密度相似的影响趋势,但影响程度较小；随着频率的升高,膜层厚度并没明显变化,高频率条件下的微弧氧化膜层的微孔孔径较小,微孔较为致密,但变化不明显。根据膜厚的方差分析,各电参数对膜厚影响的显著性大小顺序为：电压>电流密度>占空比>频率,其中频率对膜厚的影响可忽略。（2）电参数分别通过影响表面电势和电场强度来影响正离子向膜层的扩散速率和负离子向膜层的运动速率,从而改变膜层内各元素的相对含量。随着电压、电流密度或占空比的增大,Ca和P元素的相对含量增加,Ca／P摩尔比增大,其中占空比影响较小,频率对膜层钙磷元素相对含量的影响不明显。膜层中Ca、P相对含量及其摩尔比可通过电参数进行设计或控制。（3）随着时间的延长,恒压模式下的氧化膜层厚度呈指数曲线增加,恒流模式下的氧化膜层厚度呈类似线性增长。恒流模式更有利于控制微弧氧化膜层生长速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 生物医用金属材料概述
• 1.2 锆、铌及其氧化物的生物应用
• 1.3 微弧氧化概述
• 1.4 锆、铌及其合金微弧氧化研究现状
• 1.5 本文的目的与意义
• 第二章 试验条件和方法
• 2.1 试验材料和试剂
• 2.2 微弧氧化试验设备
• 2.3 微弧氧化膜层的制备方法
• 2.4 分析测试方法
• 第三章 锆材微弧氧化电参数特性及其对氧化膜层的影响
• 3.1 微弧氧化电参数特性研究
• 3.2 电参数对锆微弧氧化膜层厚度的影响
• 3.3 电参数对锆微弧氧化膜层相组成的影响
• 3.4 电参数对锆微弧氧化膜层形貌的影响
• 3.5 锆微弧氧化膜层元素组成和分布
• 3.6 电参数对膜厚影响的方差分析
• 3.7 电参数对微弧氧化膜层影响的能量讨论
• 3.8 锆微弧氧化后的生物活性表征
• 3.9 本章小结
• 第四章 铌材微弧氧化膜的制备表征及参数对氧化膜层的影响
• 4.1 医用铌材微弧氧化膜层的制备与表征
• 4.2 电流密度对铌微弧氧化膜层的影响
• 4.3 电压对铌微弧氧化膜层的影响
• 4.4 脉冲参数对铌微弧氧化膜层的影响
• 4.5 恒压、恒流两种模式下铌微弧氧膜层的对比研究
• 4.6 铌微弧氧化膜层的力学性能
• 4.7 铌微弧氧化膜的生物活性表征
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢