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冯爱玲 (冯爱玲.)

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针对医用镁合金在人体组织环境中降解太快以及由此引发的氢气析出、碱化效应及力学强度退化速率与骨组织生长速率不匹配等问题,本文采用三种不同的方法——粉末冶金法制备颗粒增强镁基复合材料、电沉积法制备磷酸八钙涂层、水热法制备羟基磷灰石涂层以解决这些问题;并对所制备材料的显微结构、力学性能及耐蚀性进行了系统研究。采用粉末冶金法制备了微米级聚磷酸钙(M-CPP)颗粒增强镁基复合材料。显微结构表明,M-CPP颗粒均匀分布在镁合金基体中,且基体和增强相的界面结合良好。M-CPP的含量为20 wt%的镁基复合材料的抗压强度最大,达到了494.88 MPa。压缩实验断口的SEM显示,颗粒断裂为主要失效方式,表明压缩载荷被高效地传递至基体上。拉伸测试显示,添加M-CPP后,复合材料的抗拉强度和屈服强度都有所降低,其原因由基体变形、界面脱粘、颗粒破碎及显微裂纹等多种断裂机制引发。浸泡实验和电化学测试结果均表明,颗粒增强镁基复合材料中M-CPP的添加改善了镁合金的抗蚀性能,使材料的腐蚀更加均匀,且M-CPP加速了羟基磷灰石(HA)在复合材料表面的沉积。采用粉末冶金法制备了超细聚磷酸钙(UF-CPP)颗粒增强镁基复合材料;其中UF-CPP的平均粒径为750 nm,形状为球形,含量为2.5、5、7.5和10 wt%。结果表明,当UF-CPP颗粒含量为2.5和5 wt%时,其在ZK60A基体中分布均匀,且复合材料中没有明显的微孔存在。当UF-CPP颗粒含量达到7.5和10 wt%时,其在基体中有明显的团聚,且复合材料中有明显的微孔存在。当UF-CPP含量从0 wt%增加到5 wt%时,材料的维式显微硬度、抗拉强度、拉伸屈服强度、弹性模量、抗压强度均呈现逐渐增加的趋势;而当UF-CPP的含量从5 wt%增加到10 wt%时,这些力学性能呈现逐渐减小的趋势。当UF-CPP的含量从0 wt%增加到10 wt%时,抗弯强度均呈现减小的趋势。体外生理盐水浸泡及电极化实验表明,随着UF-CPP含量的增加,复合材料的重量损失、浸泡液的pH值和Mg离子浓度、腐蚀电流均呈减小的趋势,其耐蚀性增高。采用电沉积法在5 wt% UF-CPP/ZK60A颗粒增强镁基复合材料上制备了CaHPO4𔅖H2O(DCPD)涂层,涂层为形状不规则、维度也不同的类片层形貌。为了进一步改善材料的生物活性,对所得的涂层进一步进行水热处理,水热处理后涂层的物相转变为磷酸八钙(OCP)。生理盐水浸泡实验和电化学实验均表明,DCPD和OCP涂层都可以进一步改善5 wt% UF-CPP/ZK60A复合材料的耐蚀性,且DCPD涂层对基体的保护作用要好于OCP。采用水热法,以Ca-EDTA、KH2PO4溶液为反应液,用NaOH溶液将pH值调节为5.9、8.9、11.9,在ZK60A镁合金上制备了HA涂层。三种pH值条件下生成的涂层显示了不同的表面结构:当pH值为5.9时,涂层呈片层状结构;当pH值为8.9和11.9时,涂层均为针状结构。三种pH值所制备HA涂层的水滴接触角均在10°以下,远低于ZK60A的水滴接触角,表明HA/ZK60A具有良好的亲水性。划痕试验结果表明,HA涂层在一定的载荷作用下均呈现脆性剥落,但经pH值8.9处理的水热试样的结合强度远高于经pH值5.9和11.9处理的试样。电化学测试结果表明,水热法所制备的HA涂层可改善镁合金基体的耐蚀性;其中经pH值8.9处理所制备的HA涂层耐蚀性最高,其腐蚀电流密度比ZK60A镁合金降低了约两个数量级。采用MTT法,使用小鼠L929成纤维细胞对颗粒增强镁基复合材料UF-CPP/ZK60A进行细胞毒性试验。在浸提液中共培养后,细胞形态正常,贴壁状况良好,细胞毒性评级为0-1级,UF-CPP的加入可显著改善镁合金的细胞相对增殖率。

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镁合金聚磷酸钙复合材料电沉积水热

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  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Degree: 工学博士

Mentor: 憨勇

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Year: 2012

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