医用镁合金力学性能与腐蚀行为研究

论文摘要

针对医用可降解镁合金,本文选择具有生物相容性的Mn和Zn元素制备了Mg-Mn系和Mg-Zn-Mn系合金,用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、XRD、万能材料试验机、电化学测试系统和体外浸泡试验系统,研究了Mn和Zn对铸态合金微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响规律、并对比研究了直接挤压和热处理后挤压对Mg-Zn-Mn系合金微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响。最后对Mg-Zn-Mn合金进行动物体内植入试验,评价体内降解和力学性能衰退。得到如下结果:对铸态合金的微观组织和力学性能的研究发现:Mn能够细化镁合金的组织,并提高合金的拉伸强度,当Mn含量为1.48wt.%时,Mg-Mn合金的拉伸强度得到明显提高。Zn可以进一步细化铸态Mg-Mn合金的组织,并且在合金中形成Mg7Zn3相,铸态Mg-Zn-Mn系合金的拉伸强度、屈服强度和伸长率随Zn含量增加而增加,当Zn含量为3wt.%时,达到最高值,拉伸强度为218.6MPa,屈服强度为66.1MPa,伸长率为15.5%。挤压显著细化了Mg-Zn-Mn系合金的晶粒尺寸,显著提高了合金的拉伸强度和屈服强度。挤压后,Mg-1Zn-1Mn合金的拉伸强度为280.3MPa,屈服强度为246.5 MPa,伸长率为21.8%。随Zn含量增加,晶粒尺寸降低,当Zn含量增至3wt.%时,晶粒尺寸下降至3μm-5μm之间。合金的晶界处出现亚微米级的Mg7Zn3和MgZn相,拉伸强度和屈服强度进一步提高,但伸长率下降。挤压前均匀化热处理使挤压态合金的晶粒尺寸粗化,拉伸强度和屈服强度降低。腐蚀实验结果表明:Mn加入不会提高镁合金的耐蚀性能,但是当Mn含量达到1.48wt.%时,合金的耐蚀性能降低。Zn可以显著提高铸态Mg-Zn-Mn系合金的耐蚀性能,但当Zn含量达到3wt.%时,合金的耐蚀性能明显降低,挤压变形可以显著降低Mg-Zn-Mn系合金的腐蚀速率,使合金的自腐蚀电位正移,极化电阻提高;随着合金中的Zn含量增加,合金的耐蚀性能降低,腐蚀形式由点蚀转化为严重的晶界腐蚀。挤压前均匀化热处理可以降低高Zn含量（3wt.%）合金的腐蚀速率,使晶界处腐蚀得到减轻。通过对腐蚀机制的研究可知,由于凝固特性形成的Zn元素分布状态不同是造成铸态Mg-Zn-Mn系合金腐蚀形式不同的主要原因,而通过挤压的方法可以改变Zn元素的分布,减轻因Zn元素微观偏析所引起的腐蚀。动物体植入实验表明,镁合金植入3天后有较轻的炎症现象,两周后炎症现象消失。血液生化检测表明:植入3个月后,动物的肝功能和肾功能没有异常反应。在对镁合金植入体和骨结合界面的研究中发现:与骨组织接触的镁合金表面生成含有Ca和P的降解产物层。随着镁合金的降解,表面生成新生组织层,逐渐转化为新生骨组织,合金与骨组织结合良好。镁合金的抗弯强度随植入时间延长而降低,植入1个月后,抗弯强度为257.7MPa,约为原来的60%,植入3个月后,仍保持在113.6MPa,约为原来的30%,接近于人体骨皮质的抗弯强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 镁合金的性能特点及分类
• 1.2.1 镁合金的性能特点
• 1.2.2 镁合金的分类
• 1.3 镁合金的生物相容性
• 1.4 镁合金的生物腐蚀行为
• 1.4.1 体外腐蚀行为
• 1.4.2 体内腐蚀行为
• 1.5 提高镁合金耐体液腐蚀性能的途径和具体措施
• 1.5.1 提高镁合金耐蚀性能的途径
• 1.5.2 提高镁合金耐蚀性能的具体措施
• 1.6 生物医用镁合金的强化机制
• 1.6.1 强化机制
• 1.6.2 医用镁合金中的强化元素
• 1.7 镁合金生物医用材料开发现状
• 1.7.1 骨折内固定材料
• 1.7.2 骨组织工程多孔支架材料
• 1.7.3 冠状动脉植入支架材料
• 1.7.4 其它植入材料
• 1.8 主要研究内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 仪器与设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 材料制备
• 2.2.2 合金均匀化退火工艺
• 2.2.3 挤压工艺
• 2.3 微观组织的观察
• 2.3.1 金相组织
• 2.3.2 扫描电镜
• 2.3.3 透射电镜
• 2.3.4 XRD 衍射相分析
• 2.3.5 荧光光镜
• 2.4 力学性能测试
• 2.4.1 拉伸强度
• 2.4.2 抗弯强度
• 2.4.3 硬度
• 2.5 腐蚀性能测试
• 2.6 动物体植入实验
• 第3章 铸态Mg-Mn 和Mg-Zn-Mn 系合金微观组织与力学性能
• 3.1 引言
• 3.2 铸态Mg-Mn 系合金的微观组织与力学性能
• 3.2.1 微观组织
• 3.2.2 力学性能
• 3.2.3 断裂行为
• 3.3 铸态 Mg-Zn-Mn 系合金微观组织与力学性能
• 3.3.1 微观组织
• 3.3.2 力学性能
• 3.3.3 断裂行为
• 3.4 铸态Mg-Mn 和Mg-Zn-Mn 系合金组织与力学性能关系
• 3.4.1 铸态Mg-Mn 系合金组织与力学性能关系
• 3.4.2 铸态Mg-Zn-Mn 系合金组织与力学性能关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 挤压态Mg-Zn-Mn 系合金微观组织与力学性能
• 4.1 引言
• 4.2 挤压态Mg-Zn-Mn 系合金的微观组织与力学性能
• 4.2.1 微观组织
• 4.2.2 力学性能
• 4.2.3 断裂行为
• 4.3 均匀化工艺
• 4.4 均化处理后挤压Mg-Zn-Mn 系合金微观组织与力学性能
• 4.4.1 微观组织
• 4.4.2 力学性能
• 4.4.3 断裂行为
• 4.5 挤压态Mg-Zn-Mn 系合金的微观组织与力学性能关系
• 4.5.1 挤压对微观组织和力学性能的影响
• 4.5.2 两种挤压态合金的力学性能比较
• 4.6 本章小结
• 第5章 Mg-Mn 和Mg-Zn-Mn 系合金的腐蚀行为
• 5.1 引言
• 5.2 铸态Mg-Mn 系合金的腐蚀行为
• 5.2.1 电化学腐蚀实验
• 5.2.2 腐蚀速率
• 5.2.3 腐蚀形貌
• 5.3 铸态Mg-Zn-Mn 系合金的腐蚀行为
• 5.3.1 电化学腐蚀实验
• 5.3.2 腐蚀速率
• 5.3.3 腐蚀形貌
• 5.4 挤压态Mg-Zn-Mn 系合金的腐蚀行为
• 5.4.1 电化学腐蚀实验
• 5.4.2 腐蚀速率
• 5.4.3 腐蚀形貌
• 5.5 均匀化处理后挤压Mg-Zn-Mn 系合金腐蚀行为
• 5.5.1 电化学腐蚀实验
• 5.5.2 腐蚀速率
• 5.5.3 腐蚀形貌
• 5.6 表面腐蚀产物分析
• 5.7 腐蚀机理分析
• 5.7.1 Mg-Zn-Mn 系合金中的第二相粒子对腐蚀行为的影响
• 5.7.2 Mg-Zn-Mn 系合金的微观偏析对腐蚀行为的影响
• 5.8 本章小结
• 第6章 Mg-Zn-Mn 合金动物体内植入实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 动物体植入实验结果
• 6.2.1 大体观察
• 6.2.2 生物安全性评价
• 6.2.3 降解行为
• 6.2.4 荧光显微观察
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历