材料专业开题报告.docx

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材料专业开题报告

山东科技大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目医用Mg-Li-Ca合金组织与腐蚀性能研究

学院名称材料科学与工程学院

专业班级金属材料07-2班

学生姓名张旭

学号200701130233

指导教师曾荣昌

填表时间：

2011年04月10日

填表说明

1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。

3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。

4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。

5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。

设计（论文）

题目

医用Mg-Li-Ca合金组织与腐蚀性能研究

设计（论文）

类型（划“√”）

工程实际

科研项目

实验室建设

理论研究

其它

一、本课题的研究目的和意义

研究表明,镁合金具有良好的生物相容性和优良的机械性能,可成为新型医用植入金属材料[1-3]。

镁是人体必需的常量元素之一,它是动物体内含量仅次于钙、钠、钾,细胞内仅次于钾的元素,参与体内一系列新陈代谢过程,包括骨细胞的形成、加速骨愈合能力[4-5],但其存在力学性能和耐蚀性能不足的问题。

可降解生物材料要求材料降解速度与组织新生或者愈合速度之间匹配,因此调控镁合金的腐蚀速率成为研究医用镁合金的关键科学问题和技术难题。

目前主要是通过合金化、加工工艺和表面改性来提高镁合金腐蚀性能。

通过加入合金元素如Zn、Y、Ca、Mn和Li等来对镁进行合金化已成为研究热点[1-3,6-8],目前有关Mg-Li合金正在成为医用镁合金研究前沿。

通过加入合金元素对镁进行合金化，镁的耐腐蚀等性能将会得到明显提高，如Mg-Li-Ca合金就被业内人士所看好。

此外，再对镁合金的表面界面进行表面改性，如碱热处理[9]、阳极氧化膜[3,10]、羟基磷灰石（hydroxyapatite,HA）[11-13]等，将会使其获得良好的骨传导性和生物相容性。

因此，此课题方向发展前景广阔，且意义重大。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

1镁锂钙合金的组织结构观察。

实验应选用Li含量不同的两种合金，实验时将主要通过金相显微镜对其组织进行观察，并加以分析。

2浸泡析氢实验。

取两种成型的镁合金材料各3块，并把试样规格摩制接近为：

25mm×25mm×5mm大小，将每个试样的六个面都磨成镜面后，洗净后吹干后，再用电子天平测量其各自的重量，记录数据。

然后分别浸泡在一定量的腐蚀溶液中（溶液的量：

按20ml/cm2确定），记录量筒开始时候的读数，总共浸泡一周，每隔4小时记录一次。

腐蚀玩后取出试样清洗其表面的腐蚀产物，再用电子天平称量各自的重量，与腐蚀之前的数据进行对比记录。

3镁金属浸泡腐蚀测定pH值。

取两种镁合金材料各3块，将其六个面都磨成镜面，分别浸泡在一定量的腐蚀溶液中，然后用pH测试机测量pH值，每间隔20分钟记录一次数据。

从而测得镁金属在腐蚀液中的pH值的变化趋势。

4电化学性能测试研究。

将两组镁合金浸泡在不同成分的Hank’s溶液中，测试其电化学性能。

电化学性能测试方法是研究与测量腐蚀的重要手段，考察镁钙合金在介质中电极点位随腐蚀电流变化的极化曲线。

5分析腐蚀表面产物。

通过扫描电子显微镜、电子探针、X射线衍射仪对腐蚀后样品形貌进行观察，并通过能谱仪对测样品的腐蚀产物组成。

三、文献综述（国内外研究情况及其发展）

镁合金具有良好的生物相容性。

早在1945年Znamenskin采用镁合金来治疗两个年轻人的枪伤。

在这两个案例中。

骨折在6周愈合，镁夹板6周后消失。

没有发现周边区域的发炎和对骨松质的不良影响。

McBride记述了用Mg—A1一Mn合金治疗骨折也证明这一点[14]。

近期人们也对镁合金的生相容性进行了研究：

Wettl等将多孔的AZ91植入到兔股骨中，发现3个月后多孔镁合金已经大部分降解。

组织学观察表明没有伤害骨组织，显示良好的生物相容性[15]。

李龙川等研究表明：

纯镁没有细胞毒性。

另外,张广道等将镁合金植入实验动物兔子体内8周后发现：

镁合金植入并未对动物机体的循环免疫、泌尿系统产生负面影响。

可经肾脏代谢，血液中的镁离子浓度在正常值范围内波动[16]。

国外研究现状与国内相比，国外对医用镁合金的研究更全面一些。

德国Hannover医学院的Witte的研究小组将四种镁合金：

AZ3、1AZ91、WE43、LAE442植入豚鼠大腿骨内，研究镁合金在生物体内的腐蚀行为及合金和骨组织的相互作用。

发现在18周内这些合金表面均发生了良好的矿化，证实了镁合金有较好的生物相容性和骨诱导能力。

但是没有考虑合金中一些元素对生物体的危害，也没能解决合金腐蚀过程中生成气体在生物体内形成皮下气泡的问题。

另外Witte的研究组还制备出了以AZ91D为基体的镁合金/羟基磷灰石复合材料，这种材料具有可控制的机械性能和腐蚀速度还具有较好的生物降解性，但是其基体镁合金中含有较多对人体有害的元素。

日本结构工程学会的Wen和高级工业科学技术学会的Yamada等人研究了通过粉末冶金法制造出了力学性能优于普通纯镁的多孔镁材，并对其孔隙率、孔直径大小与力学性能的关系做了较深入的研究。

发现孔隙率35%、孔径大小为70μm多孔镁材具有与人骨很相近的力学性能。

但他们的研究没有涉及到合金的腐蚀行为和生物相容性。

Stippich、Bruckner

Kutsenko分别研究了通过离子束辅助沉积技术在镁基体表面沉积氮、铬离子来改善合金的表面性能，并获得了较好的结果。

表面处理

表面处理能够显著的提高合金的耐蚀性能．因此，前人在表面处理提高耐蚀f生上作了大量研究。

表面处理主要包括：

金属镀层、离子注入和微弧氧化等方法。

张二林等[17]研究在纯镁上离子镀钛，制备了无孔的钛涂层，采用电化学方法测试了合金的腐蚀性能，发现；合金的自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度下降。

WanYZ[l8]等研究Zn离子注入对Mg—Ca合金显微硬度和腐蚀性能的影响，结果表明当Zn离子注入剂量为0．9xlO7／cm时，Mg—Ca合金的表面的显微硬度和耐蚀性能得到提高。

ZhangXP等[19]对比了采用微弧氧化的方法前后AZ91合金的耐蚀性能和耐磨性能，结果表明未处理合金的浸渍21d时的平均失重速率是处理后合金的1．5倍．自腐蚀电位由一1．5786V正移至一0．43019V．自腐蚀电流密度由0．028703A／cm下降至2．0456~10—7A／cm腐蚀性能和耐磨性能都得到显著的提高，未处理合金的质量损失是处理后合金的1．5倍。

王亚明等[20]采用微弧氧化法在MB6镁合金表面制备了含Si和P元素的MgO陶瓷化涂层。

采用SEM、XRD、EDS等方法分析表明：

涂层厚约6m，表面有微孔，但涂层内层致密。

在模拟体液中进行浸泡试验后．镁合金基体的失重量明显高于微弧氧化涂层。

致密涂层具有较好的抗Cl一离子侵蚀的能力．但随浸泡时间延长，涂层表面出现明显的微裂纹．加速对基体的腐蚀。

ShiP等[21]在纯镁表面采用微弧氧化得到多孔的氧化镁涂层．而后采用溶胶一凝胶工艺进行封孔并采用水热处理使其牢固．分析后发现涂层又氧化镁和TiO组成，厚度12um，通过电化学阻抗谱和极化曲线测试发现与未处理试样相比．腐蚀抗力增加了30倍。

变形处理

任伊宾等研究了加工处理状态对纯镁在生理盐水中的腐蚀规律，证明扎制可以提高纯镁在生理盐水中的开路腐蚀电位．减缓腐蚀速率纯镁的腐蚀速率。

WangH等对热轧镁合金的耐蚀性能进行研究．发现：

与铸态AZ31相比，热轧后合金的腐蚀陛能得到显著提高。

变形处理提高耐蚀f生原因在于，这种处理方式能够减轻铸造组织的微观偏析，焊合铸造缺陷。

四、拟解决的关键问题

通过评定不同钙含量合金的综合性能，确定镁锂钙的最优比例。

尝试通过不同热处理工艺改变合金的组织，在保持一定力学性能基础上增加镁锂钙合金的耐蚀性能。

五、研究思路和方法

1、查阅相关资料，了解镁钙合金研究现状及研究成果

2、制定腐蚀相关实验式样标准，学习Hank’s溶液的配置方法。

3、利用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电镜分析合金相组成、组织形貌，并研究腐蚀反应过程，作出合金腐蚀极化曲线以及镁锂钙合金的腐蚀性能曲线。

六、本课题的进度安排

预计用16周完成毕业设计和毕业论文，具体时间安排如下：

第1-2周：

毕业实习，完成实习报告；

第3-4周：

确定论文课题，初步查阅文献；

第5-6周：

阅读文献，完成开题报告、文献综述；

第7-9周：

完成英文翻译，讨论、确定实验方案，并制备样品；

第10-12周：

完善工艺参数，对样品物相、组织形貌进行分析检测；

第13-14周：

分析实验结果，撰写毕业论文；

第15周：

修改毕业论文并制作演示文稿，准备答辩；

第16周：

修改并提交毕业论文。

七、参考文献

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[3]GuanglingSong.Controlofbiodegradationofbiocompatablemagnesiumalloys[J].CorrosionScience,2007,49（4）:

1696-1701.

[4]WitteF,KaeseV,HaferkampH,etalInvivocorrosionoffourmagnesiumalloysandtheassociatedboneresponse[J].Biomaterials,2005,26（17）:

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[5]洪岩松,杨柯,张广道,等.可降解镁合金的动物体内骨诱导作用[J].金属学报,2008,44（9）:

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[6]LiZ,GuX,LouS,etalThedevelopmentofbinaryMg-Caalloysforuseasbiodegradablematerialswithinbone[J].Biomaterials,2008,29（10）:

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[8]LiJ,SongY,ZhangS,etalInvitroresponsesofhumanbonemarrowstromalcellstoafluoridatedhydroxylapatitecoatedbiodegradableMgZnalloy[J].Biomaterials,2010,31（22）:

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[9]LiL,GaoJ,WangY.Evaluationofcytotoxicityandcorrosionbehaviorofalkaliheattreatedmagnesiuminsimulatedbodyfluid[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2004,185

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[10]RongchangZeng,RongsiChen,RongfaZhang.CorrosionofplasmaelectrolyticoxidationcoatingsonMg-CaalloysinHank'ssolutions.In:

ed.K.U.Kainer[C]//Proceedingofthe8thmagnesiumalloysandtheirapplications.Weimar:

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[21]ShiP，NgWF，WongMH，eta1．ImprovementofcorrosionresistanceofpuremagnesiuminHank’ssolutionbymicroarcoxidationwithsolgelTiO2sealing．JournalofAlloysandcompounds．2008．3.

指导教师意见

指导教师（签名）：

年月日

所在系（所）意见

负责人（签章）：

年月日