鎂合金新用途探索

1、材料09-2班 史廣雨鑄造Mg-Mn-Zn-Ga合金堿熱處理工藝研究1Mg及Mg合金在人體中的作用 作為人體必需的微量元素之一的鎂，對心臟血管具有重要的保護作用，有“心血管衛(wèi)士”之稱。人體如果缺鎂，可導(dǎo)致心動過速、心律不齊及心肌壞死和鈣化。因此，缺鎂比高血壓、高血脂對心臟更有危險性。2 功效 1.促進心臟、血管的健康，預(yù)防心臟病發(fā)作；2.防止鈣沉淀在組織和血管壁中，防止產(chǎn)生腎結(jié)石、膽結(jié)石；3.使牙齒更健康； 4.能協(xié)助抵抗憂郁癥，與鈣并用，可作為天然的鎮(zhèn)靜劑。3Mg合金作為骨折內(nèi)固定材料的優(yōu)勢1、Mg在人體中正常含量為25 g，半數(shù)存在于骨骼中。Mg(1738 gcm )及其合金(175 18

2、5 g密度低，不到醫(yī)用Ti合金密度的13，與人密質(zhì)骨75 gcm )極其相近 2、Mg及鎂合金有高的比強度與比剛度，楊氏模量約為45 GPa，不到醫(yī)用鈦合金彈性模量(109112 GPa)的12，能有效緩解骨科植入物的應(yīng)力遮擋效應(yīng)4研究目的鎂具有很好的生物相容性，鎂本身是人體新陳代謝所必需的元素,鎂及其合金與人骨的密度和彈性模量相近,因此作為骨折內(nèi)固定材料具有重要意義。但是鎂合金比較活潑,耐蝕性能差,因此提高其耐蝕性能具有重要意義.而此次試驗想通過堿熱處理使得鎂合金的耐蝕性得到改善,為其成為醫(yī)用材料提供參考 5鎂合金作為骨折內(nèi)固定材料出現(xiàn)的問題鎂基合金的耐蝕性能較差，很容易發(fā)生點蝕，在有CL-

3、存在的腐蝕環(huán)境中腐蝕速率更快，且在周圍介質(zhì)的pH值低于115時，鎂合金在人體內(nèi)的腐蝕會加快。人體內(nèi)的pH值約為74，在手術(shù)后的人體代謝吸收過程中可能會引起人體內(nèi)二級酸液過多癥，使體內(nèi)環(huán)境的pH值低于74，所以鎂合金作為植入材料在體內(nèi)會加速腐蝕。雖然鎂是人體的常量元素，但吸收過量鎂離子對人體也是有害的6解決方案：提高鎂合金的耐蝕性(1)稀土的低微合金化 。 (2)開發(fā)高純鎂合金 。 (3)表面處理：微弧氧化 金屬鍍層 堿熱處理 （本實驗所用研究手段） 7稀土的低微合金化稀土的低微合金化是開發(fā)耐腐蝕鎂合金的一個方向，鎂合金中適量輕稀土元素的加入不但可有效提高合金的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，同時初步的研

4、究表明輕稀土元素的適量加入還有利于提 高生物植入體的抗凝血行為15。上海交通大學(xué)目前已經(jīng)開發(fā)出一種高耐蝕同時具有良好力學(xué)性能的醫(yī)用鎂合金材料。該合金的典型性能指 標 為：力 學(xué) 性 能 指 標 6o2 = 160-260MPa，6=2035( 不同變形態(tài)) ，耐腐蝕性能指標：標準鹽霧實驗腐蝕速率為0 25mm年，明 顯優(yōu)于商用鎂合金AZ91D的1mm年。由于該合金具有很好的塑性成形性能，可以制備各種形狀的植入體 8開發(fā)高純鎂合金雜質(zhì)含量是影響鎂合金耐蝕性的最重要因素之一，尤其是有害元素，如F e 、N i 、C u 和C o 含量?？刂坪辖鹬羞@些有害元素的含量在容許 極限以下( F e ， C

5、u 和N i 3 種元素在Mg 中的最高溶限量分別為1 7 0 x l 0 ，1000 x l0和5 x l0。降低冶金中重金屬雜質(zhì)的含量，可以有效提 高合金的耐蝕性能16 9表面處理：微弧氧化微弧氧化 微弧氧化技術(shù)(又稱微等離子體氧化或陽極火花沉積)是近幾年才發(fā)展起來的一項在有色金屬表面原位生長氧化物陶瓷層的新技術(shù)，可在金屬表面形成多孔、耐蝕、耐磨的薄氧化層，已在鈦種植體表面成功應(yīng)用，是一種很有希望的醫(yī)用金屬植入體表面生物改性技術(shù)15。Z h a n g 等17實驗證明，微弧氧化表面改性后AZ91D鎂合金的耐蝕性及耐磨性均得到顯著提高。10表面處理：金屬鍍層金屬鍍層 研究表明在純鎂上離子鍍鈦

6、，制備了無孔的鈦涂層，采用電化學(xué)方法測試了合金的腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)：合金的自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度下降，說明金屬鍍層可以控制鎂合金的耐蝕性。11表面處理：堿熱處理堿熱處理 堿熱處理也能夠明顯提高鎂合金的耐蝕性。據(jù)報道：鎂合金經(jīng)堿熱處理后的表面產(chǎn)物能夠使合金的腐蝕速率降低，并能夠改善鎂合金的生物相容性。高家誠等人研究了對純度為999的純鎂表面改性，以提高純鎂在仿生模擬體液(SBF)中的耐腐蝕性能。其過程為：室溫下將純鎂在初始pH值為93的過飽和NaHCO3一MgCO3。混合溶液中浸泡24 h，然后在773 K保溫10 h；再將試樣放入(3705)的SBF溶液中浸泡14 d。X射線衍射分析表明：

7、純鎂在NaHCO3一MgCO3混合溶液中浸泡后，表層主要為MgCO33H2O晶體；熱處理后，MgCO33H2O晶體轉(zhuǎn)變成MgCO3和Mg(OH)2的混合物。EDS分析表明，距表面厚約20um的基體被氧化，形成了耐蝕氧化層。經(jīng)堿熱處理的試樣在SBF溶液中浸泡14 d后，經(jīng)X熒光能譜(XPF)分析可知表層沉積出CaP摩爾比為1858的鈣磷基沉淀。本階段實驗表明，堿熱處理可以顯著提高純鎂在仿生環(huán)境下的耐腐蝕性能12本實驗的研究內(nèi)容研究不同工藝堿熱處理后材料表面的微觀形貌和結(jié)構(gòu)研究不同工藝堿熱處理后材料在模擬體液中電化學(xué)腐蝕行為研究工藝條件對堿熱處理后材料耐腐蝕性能的影響規(guī)律研究工藝條件對堿熱處理后材料硬度變化規(guī)律13研究的方法與手段 利用熱處理爐進行堿熱處理試驗利用電化學(xué)工作站對堿熱處理后式樣的電化學(xué)行為進行分析 14可行性分析 大量研究已經(jīng)證實堿熱處理能在材料表面生成致密且厚的表面層,有利于腐蝕性能的提高；本實驗重在研究不同工藝堿熱處理后鎂合金的耐蝕性能、硬度變化的影響規(guī)律，且本校目前擁有熱處理爐能夠進行熱處理實驗，擁有電化學(xué)工作站能夠?qū)A熱處理后式樣的電化學(xué)行為進行分析，故本實驗可行。 15鎂合金具有諸多優(yōu)點如與人體相近的彈性模量和防磁功能，良好的生物