【摘 要】
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近年来,生物医用镁合金凭借其良好的生物相容性,可降解性及与人骨相匹配的力学性能,在骨科内固定器械和心血管支架等应用领域受到越来越多关注。由于植入器件在植入部位的服
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近年来,生物医用镁合金凭借其良好的生物相容性,可降解性及与人骨相匹配的力学性能,在骨科内固定器械和心血管支架等应用领域受到越来越多关注。由于植入器件在植入部位的服役过程中往往会受到多种生理载荷的力学作用,例如骨板会受到拉伸、压缩应力或两者复合应力作用,血管支架在服役期间会受到血液流动产生的流体剪切应力以及心脏跳动产生的循环应力等,因而应力的存在是医用镁合金作为植入器件不可回避的一个问题,有必要弄清楚镁合金在应力环境下的腐蚀降解行为,为其尽早应用于临床提供有力的理论基础。本文采用挤压态纯镁及力学性能和生物相容性良好的挤压态Mg-3wt.%Zn-0.2wt.%Ca合金(MZC合金)。首先对挤压态纯镁及MZC合金进行力学性能及腐蚀性能表征,以了解材料在无应力状态时的力学强度及腐蚀行为;然后研究了裸合金在不同腐蚀介质中的应力腐蚀(SCC)行为,评价其应力腐蚀敏感性;接着在镁合金表面制备了一层氟化镁涂层,研究了氟化处理后镁合金的应力腐蚀行为,以考察涂层对应力腐蚀性能的影响;最后研究了应力作用对镁合金在生理盐水(NS)中腐蚀降解行为的影响,详细分析了应力形式,应力大小对镁合金腐蚀速率及力学衰减等的影响,探究在应力作用下镁合金的降解机制。本文得出以下结论:(1)通过体外浸泡数据及电化学测试结果可知无应力状态时纯镁的腐蚀速率明显低于MZC合金,两者腐蚀以点蚀为主,纯镁的腐蚀分布相对均匀,而MZC合金发生局部腐蚀倾向性较大。根据电化学Tafel曲线外推法计算腐蚀速率,MZC合金的腐蚀速率是纯镁的1.6倍,这导致MZC合金在生理盐水中浸泡3天的剩余强度下降幅度比纯镁高,下降了121 MPa,而纯镁下降了92 MPa;到浸泡21天时,纯镁的剩余强度为普通力学拉伸的抗拉强度的27%,而MZC合金为22%。(2)通过慢应变速率拉伸方法(SSRT)研究裸合金在不同腐蚀介质中的应力腐蚀行为得出,与模拟体液(SBF)相比,纯镁及MZC合金在生理盐水中表现出更高的应力腐蚀敏感性。而在相同腐蚀介质中,MZC合金比纯镁具有更高的应力腐蚀敏感性,更容易发生应力腐蚀。(3)通过电化学极化曲线得知制备的MgF2涂层显著提升了纯镁及MZC合金的耐蚀性。通过SSRT得知MgF2涂层不同程度提升了纯镁及MZC合金在不同腐蚀介质中的应力腐蚀影响因子,提高其抗应力腐蚀能力。另外,在相同腐蚀介质中,氟化处理后的MZC合金比氟化处理后的纯镁仍有更大的应力腐蚀敏感性。纯镁及MZC合金在腐蚀介质中应力腐蚀失效机制主要是阳极溶解和氢致开裂共同作用。(4)与无应力状态相比,外加静态拉应力加剧了纯镁及MZC合金的腐蚀程度,但剩余力学性能两者有所差异,MZC合金表现为剩余强度降低,而纯镁剩余强度结果与MZC合金相反,这可能与纯镁的室温蠕变有关。另外,在施加不同拉应力水平状态下,纯镁随着施加应力水平的增加,剩余强度变化不大,而MZC合金随着施加应力水平的增加,剩余强度降低。(5)在动态拉应力作用下,与无应力状态及静态拉应力相比,纯镁及MZC合金表现出最高的腐蚀速率,且随着施加应力增加,腐蚀速率加快;同样,发生断裂失效的时间急剧缩短。另外,在拉扭复合应力作用下,纯镁及MZC合金的腐蚀具有沿着扭转方向扩展的倾向。
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