镁科研:可降解生物医用合金的福音:高强Mg-Zn-Ca纳米双相金属玻璃实现可控耐蚀行为 ...

来自: JMACCMg 收藏 邀请
镁合金具有高比强度,与骨骼相近的弹性模量,以及优异的生物兼容性等优点。相比于传统合金,镁合金的一大优势在于可生物降解能力,在植入初期可为骨骼及组织提供机械支撑,之后镁合金在体液的腐蚀作用下逐渐降解,被人体吸收,免除了取出植入物的二次手术。因此镁合金在生物医用领域拥有广阔的应用前景。然而,镁合金在体液环境中腐蚀速率过快,可能导致植入物提前失效。因此,如何提升镁合金的耐腐蚀性能是材料领域的重点研究方向之一。金属玻璃不含晶界及位错等晶体缺陷,通常比对应的晶态合金拥有更高的耐腐蚀性能及强度。因此,在先前报道中,研究人员开发了包括Mg-Cu-Y, Mg-Cu-Gd, Mg-Zn-Ca在内的一系列镁基金属玻璃。纳米双相金属玻璃是一种新型金属玻璃,通常具备比单相金属玻璃更高的塑性变形能力,拥有巨大的应用前景。探索镁基纳米双相金属玻璃的腐蚀性能与机制对研发高性能镁合金具有重要意义。

香港城市大学吕坚教授团队在前期的工作中研发出全新的Mg-Zn-Ca纳米双相金属玻璃,通过磁控溅射沉积在梯度纳米晶镁合金表面,成功将合金强度提升31%并保持良好的塑性(20%)(Liu C., Liu Y., Wang Q., Liu X., Bao Y., Wu G.*, Lu J.* Adv. Sci. 7, 2001480 (2020) )。最近,吕坚教授课题组发现Mg-Zn-Ca纳米双相金属玻璃薄膜不仅能提升合金强韧性,还具备优异的耐腐蚀性能。Mg-Zn-Ca纳米双相金属玻璃在模拟体液(SBF)环境中能自发生成微米级厚度的氧化物/氢氧化物保护层,其腐蚀速率比超高纯Mg99.99% 纯度)低77%。开发了高耐腐蚀性的新型镁合金,破解了传统镁合金强度,塑性,耐腐蚀性难以兼得的难题。由于Mg-Zn-Ca合金较好的生物兼容性,有望作为可控降解医用材料得以应用。

本研究使用透射电镜(TEM)与原子探针层析成像(APT)技术(图1),从近原子尺度解析Mg57Zn36Ca7纳米双相金属玻璃在模拟体液(SBF)中的腐蚀机制。研究发现纳米双相金属玻璃内约10 nm宽的富Ca非晶相作为O进入合金的通道,促进生成非晶-纳米晶双相结构的氧化物/氢氧化物。同时,基体与富O通道的电位差促使Mg由原基体迁移至富O通道内,基体内部结构重组为富Zn纳米晶。因此,Mg57Zn36Ca7纳米双相金属玻璃在SBF溶液中生成多级结构氧化物/金属纳米晶钝化膜。

1 Mg57Zn36Ca7 (at.%) 双相金属玻璃结构与成分表征。(a 三维透射电镜(TEM)图片,x-y面展示合金表面结构,y-z面展示合金横截面结构;(b c 高分辨TEM图片,显示合金中不同衬度的两相均为非晶结构;(d)原子探针层析(APT)三维重构图;(e)富钙界面成分分布;(f)基体成分分布

通过将纳米双相金属玻璃在SBF溶液中浸泡不同时长并进行电化学阻抗谱(EIS)分析,发现合金在浸泡SBF3小时后,其极化电阻从初始的1130.0 Ω∙cm2提升至3106.7 Ω∙cm2,如图2所示。这一结果证明,伴随钝化膜的生成,镁基纳米双相金属玻璃的腐蚀速率逐渐降低,即多级结构氧化物/金属纳米晶钝化膜可以有效保护合金,延长镁合金在腐蚀环境中的使用寿命。实现了增强增塑并同时提升耐腐蚀性能的策略,将为开发新型镁合金提供路径。

2 Mg57Zn36Ca7纳米双相金属玻璃与高纯镁在SBF溶液中的腐蚀性能。(aNyquist图;(bBode impedance图;(cBode phase angle图;(d)极化曲线

本研究还探索了Mg57Zn36Ca7纳米双相金属玻璃在SBF中腐蚀的结构演变,如图3所示。结果表明,在腐蚀过程中O通过富Ca非晶相进入合金,原因在于Ca的标准还原电位(-2.76 V, versus SHE)相比于Zn -0.76 V)及Mg-2.37 V)更低。随着时间推移,通道内O含量逐渐升高,基体与富O通道的电位差促使Mg由原基体迁移至富O通道内,通道逐渐加宽,成分变为以MgO为主,同时基体内部结构重组为富Zn纳米晶。因此,Mg57Zn36Ca7纳米双相金属玻璃在SBF溶液中生成多级结构氧化物/金属纳米晶钝化膜,耐腐蚀性能动态提升。

3 Mg57Zn36Ca7纳米双相金属玻璃在SBF溶液中分别浸泡5分钟(ab)或30分钟(cd)后TEMSTEM-EDS分析。图(ab)中白色箭头显示钝化膜内富O区;图(cd)中虚线显示钝化膜与基底材料界面

综上所述,研究人员开发出高强高韧且耐腐蚀的新型镁合金,并借助TEMAPT技术,从近原子尺度揭示了Mg-Zn-Ca双相金属玻璃的腐蚀机制与钝化膜形成机理。Mg-Zn-Ca双相金属玻璃在模拟体液(SBF)环境中能自发生成微米级厚度的氧化物/氢氧化物钝化膜。该钝化膜由多级结构氧化物/金属纳米晶组成,其优异的保护能力来源于:(1)大量存在的氧化物导致的低化学活性;(2)钝化膜中非晶相与纳米晶相尺寸均小于20 nm,降低了电偶腐蚀的可能;(3)钝化膜具有微米级厚度且相对致密,有效阻挡溶液渗透并保护基底合金。这为研发高性能新型镁合金提供了实验基础和理论指导。

声明:以上所有内容源自各大平台,版权归原作者所有,我们对原创作者表示感谢,文章内容仅用来交流信息所用,仅供读者作为参考,一切解释权归镁途公司所有,如有侵犯您的原创版权请告知,经核实我们会尽快删除相关内容。鸣谢:镁途公司及所有员工诚挚感谢各位朋友对镁途网站的关注和关心,同时,也诚挚欢迎广大同仁到网站发帖


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋
分享到 :  
该文章已有0人参与评论

请发表评论

全部评论

本文作者2022-1-10 13:42
镁途
粉丝0 阅读274 回复0

精彩阅读

镁途微信公众号码

扫码微信公众号
给你想要与成长

用心服务镁途
0392-2167977
周一至周五 9:00-18:00
意见反馈:961185715@qq.com

扫一扫关注我们

Powered by Ryi  © 2019  鹤壁镁途科技有限公司  豫ICP备18030072号-1