无Ni型Zr基大块非晶合金的表面处理及生物相容性研究

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本论文采用电弧熔炼/铜模吸铸法制备了Zr62Cu20Fe5Al10Nb3大块非晶合金。利用X射线衍射分析(XRD)、示差扫描量热仪(DSC)、Instron力学试验机、电化学设备及细胞培养实验等手段研究了该非晶合金的结构、热学性能、力学性能、耐腐蚀性能及细胞相容性。并用微弧氧化方法对非晶合金进行了表面处理。用XRD、EDS、SEM、表面轮廓仪及划痕实验仪研究了氧化膜的物相和元素组成、表面截面形貌和表面粗糙度及氧化膜结合强度。为了满足表面处理对试样的要求,在实验室前期研究的基础上本论文首先开发了Zr62Cu20Fe5Al10Nb3大块非晶合金。XRD和DSC结果表明该合金具有较强的非晶形成能力和热稳定性,可以制得尺寸为70×12×1.5mm的非晶合金片。力学测试表明该合金具有很高的强度和塑性及较低的弹性模量,其断裂强度和断裂应变量分别为1683MPa和9.1%,其弹性模量约为70GPa。在磷酸盐缓冲液中的电化学测试表明该合金具有较低的钝化电流密度,但钝化区间较窄。细胞培养实验表明该合金具有与聚苯乙烯相近的细胞相容性。由于非晶合金仍为惰性生物材料,本论文研究了用微弧氧化方法对非晶合金进行表面处理以提高其生物活性。开发了一种以Ca(OH)2、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3和Na3PO4为成分的微弧氧化电解质溶液。在此溶液中对Zr62Cu20Fe5Al10Nb3非晶合金进行微弧氧化得到的氧化膜主要含有四方ZrO2、SiO2,并且含有一定量的Ca和P元素,氧化膜中Ca含量随氧化电压升高而增加,而P则相反。相对于原始合金,微弧氧化膜中Cu含量大幅度减少。微弧氧化膜呈粗糙多孔的表面形貌且与基体之间无明显的界面。划痕实验表明该氧化膜具有很高的结合强度。
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