專(zhuān)利名稱(chēng)：鎂合金表面沉積Al₂O₃陶瓷涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎂合金表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以鎂合金為陰極，通過(guò)液相 陰極等離子體技術(shù)在其表面制備Al2O3陶瓷涂層的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，鎂及其合金作為一種新型的醫(yī)用金屬植入材料，引起越來(lái)越廣泛的關(guān)注。 鎂元素天然無(wú)毒，是人體新陳代謝的重要元素，并且存在于骨組織中，鎂合金與人骨的力學(xué) 性能相近并且在人體環(huán)境中可以降解，有望發(fā)展為可降解金屬植入材料。但是鎂合金的耐 腐蝕性較差，難以在服役期內(nèi)滿(mǎn)足必要的力學(xué)與形態(tài)學(xué)要求，使其應(yīng)用受到限制。氧化鋁陶瓷屬于惰性生物陶瓷，它具有優(yōu)良的生物相容性和抗腐蝕性，能在體液 環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在對(duì)骨組織生長(zhǎng)無(wú)抑制作用，研究結(jié)果也表明成骨細(xì)胞與氧化鋁生物陶 瓷間具有良好的生物相容性。目前應(yīng)用廣泛的微弧氧化技術(shù)將鎂合金作為陽(yáng)極，通過(guò)微弧放電在鎂合金表面原 位生成一層該金屬的氧化物陶瓷涂層，涂層組成受金屬基材的限制，難以根據(jù)應(yīng)用需要制 備組成可控、成分單一的氧化物陶瓷涂層，使該技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述微弧氧化技術(shù)中所獲得的涂層受金屬 基材限制的缺點(diǎn)，提供一種以鎂合金為陰極，在其表面沉積組成單一的Al2O3陶瓷涂層的方 法。解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案由下述步驟組成1、電極前處理將鎂合金片依次用800目、1000目和2000目的砂紙打磨至表面光亮，用丙酮超聲 清洗5分鐘；將石墨用2000目的砂紙打磨光滑，用去離子水超聲清洗5分鐘。2、配制電解液以去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1 1 4的混合溶液為溶劑，配制物質(zhì)的量 濃度為0. 3mol/L的Al (NO3)3 · 9H20混合溶液作為電解液。3、等離子體微弧放電處理以步驟1中前處理的鎂合金片作為陰極、石墨作為陽(yáng)極，浸入步驟2中配制的電解 液中，采用電壓為300 500V、頻率為100 1500Hz、占空比為10% 40%、陰陽(yáng)間距為 3 6cm的直流脈沖電源對(duì)鎂合金進(jìn)行等離子體微弧放電處理，等離子體微弧放電處理時(shí) 間為30 90分鐘，鎂合金表面生成Al2O3陶瓷涂層。本發(fā)明的配制電解液步驟2中，最佳選擇以去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1 3 的混合溶液為溶劑，配制物質(zhì)的量濃度為0. 3mol/L的Al (NO3) 3 ·9Η20混合溶液作為電解液。本發(fā)明的等離子體微弧放電處理步驟3中，選擇以步驟1中前處理的鎂合金片 作為陰極、石墨作為陽(yáng)極，浸入步驟2中配制的電解液中，最佳采用電壓為400V、頻率為
3IOOHz,占空比為30%、陰陽(yáng)間距為4cm的直流脈沖電源對(duì)鎂合金進(jìn)行等離子體微弧放電處 理，等離子體微弧放電處理時(shí)間最佳為60分鐘。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微弧氧化技術(shù)中所得涂層受金屬基體限制、成分復(fù)雜、組成不 可控的缺點(diǎn)，提高了鎂合金的耐腐蝕性。所得到的Al2O3陶瓷涂層表面粗糙多孔，厚度達(dá)到 200 μ m，與基體結(jié)合良好，其耐腐蝕性和親水性均增強(qiáng)，為鎂合金作為生物醫(yī)用材料奠定了 基礎(chǔ)。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、涂層可控、無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)制膜處理的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是實(shí)施例1中鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層后的X-射線(xiàn)衍射圖譜。圖2是未經(jīng)處理鎂合金的掃描電鏡照片。圖3是實(shí)施例1中鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層后的掃描電鏡照片。圖4是圖3的局部放大圖。圖5是實(shí)施例1中鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層后橫截面的掃描電鏡照片。圖6是實(shí)施例1中鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層后橫截面的能譜線(xiàn)掃描譜圖。圖7是實(shí)施例1中鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層前后的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)圖。圖8是未經(jīng)處理鎂合金表面的接觸角照片。圖9是實(shí)施例1中鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層后表面的接觸角照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。實(shí)施例11、電極前處理將鎂合金片依次用800目、1000目和2000目的砂紙打磨至表面光亮，用丙酮超聲 清洗5分鐘；將石墨用2000目的砂紙打磨光滑，用去離子水超聲清洗5分鐘。2、配制電解液以去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1 3的混合溶液為溶劑，配制物質(zhì)的量濃度 為0. 3mol/L的Al (NO3) 3 · 9H20混合溶液作為電解液。3、等離子體微弧放電處理以步驟1中前處理的鎂合金片作為陰極、石墨作為陽(yáng)極，浸入步驟2中配制的電解 液中，采用電壓為400V、頻率為IOOHz、占空比為30 %、陰陽(yáng)間距為4cm的直流脈沖電源對(duì)鎂 合金進(jìn)行等離子體微弧放電處理，等離子體微弧放電處理時(shí)間為60分鐘，鎂合金表面生成 Al2O3陶瓷涂層。對(duì)上述鎂合金表面生成的Al2O3陶瓷涂層的相結(jié)構(gòu)用X-射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，對(duì) 涂層的表面及其橫截面的形貌用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀(guān)察，對(duì)涂層橫截面的元素分布用能 譜儀檢測(cè)，對(duì)涂層的耐腐蝕性采用動(dòng)電位極化測(cè)試，對(duì)涂層表面的親疏水性采用接觸角測(cè) 量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1、圖3 7及圖9。由圖1可見(jiàn)，鎂合金表面生成的陶瓷涂層的相組成為Y-Al2O3，說(shuō)明電解液直接參 與了等離子體電解反應(yīng)，對(duì)涂層的相組成具有重要影響，因此，通過(guò)調(diào)整電解液的成分、濃 度等參數(shù)，可以設(shè)計(jì)和控制涂層的組成而不受金屬基材的限制。
由圖3和圖4可見(jiàn)，與等離子體微弧放處理前的鎂合金相比(見(jiàn)圖2)，沉積Al2O3 陶瓷涂層的鎂合金表面呈現(xiàn)粗糙多孔狀，由許多包狀凸起和位于凸起中間的孔洞組成，每 個(gè)包狀凸起其自身又有許多細(xì)小的孔洞，形成一個(gè)粗糙多孔的表面，有利于細(xì)胞的黏附和 生長(zhǎng)。由圖5和圖6可見(jiàn)，涂層厚度約為200 μ m,由致密層和疏松層組成，部分涂層嵌入 基體內(nèi)部，這使涂層與基體結(jié)合良好，涂層中主要為Al、0元素，且0元素在鎂基體中的含 量很小，這表明在等離子體放電過(guò)程中瞬間產(chǎn)生的高溫高壓不會(huì)促進(jìn)氧原子擴(kuò)散進(jìn)入鎂基 體，有利于保持基體的力學(xué)性能。在圖7中，曲線(xiàn)(a)和(b)分別是鎂合金和鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層后在 Hank's人工模擬體液中的動(dòng)電位掃描極化曲線(xiàn)，其腐蝕電位(E。。 )和腐蝕電流密度(i。。 ) 如表1所示。表1處理前后鎂合金的腐蝕電位及腐蝕電流
權(quán)利要求
1.一種鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層的方法，其特征在于由下述步驟組成(1)電極前處理將鎂合金片依次用800目、1000目和2000目的砂紙打磨至表面光亮，用丙酮超聲清洗 5分鐘；將石墨用2000目的砂紙打磨光滑，用去離子水超聲清洗5分鐘；(2)配制電解液以去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1 1 4的混合溶液為溶劑，配制物質(zhì)的量濃度 為0. 3mol/L的Al (NO3) 3 · 9H20混合溶液作為電解液；(3)等離子體微弧放電處理以步驟(1)中前處理的鎂合金片作為陰極、石墨作為陽(yáng)極，浸入步驟O)中配制的電 解液中，采用電壓為300 500V、頻率為100 1500Hz、占空比為10% 40%、陰陽(yáng)間距為 3 6cm的直流脈沖電源對(duì)鎂合金進(jìn)行等離子體微弧放電處理，等離子體微弧放電處理時(shí) 間為30 90分鐘，鎂合金表面生成Al2O3陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層的方法，其特征在于在配制 電解液步驟O)中，以去離子水與無(wú)水乙醇的體積比為1 3的混合溶液為溶劑，配制物質(zhì) 的量濃度為0. 3mol/L的Al (NO3)3 · 9H20混合溶液作為電解液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層的方法，其特征在于在等離 子體微弧放電處理步驟(3)中，直流脈沖電源的電壓為400V、頻率為IOOHz、占空比為30%、 陰陽(yáng)間距為4cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層的方法，其特征在于在等離 子體微弧放電處理步驟(3)中，等離子體微弧放電處理時(shí)間為60分鐘。
全文摘要
一種鎂合金表面沉積Al2O3陶瓷涂層的方法，以鎂合金作為陰極，通過(guò)微弧放電直接在其表面沉積具有生物相容性良好的Al2O3陶瓷涂層，克服了傳統(tǒng)微弧氧化技術(shù)中所得涂層受金屬基體限制、成分復(fù)雜、組成不可控的缺點(diǎn)，提高了鎂合金的耐腐蝕性。所得到的Al2O3陶瓷涂層表面粗糙多孔，厚度達(dá)到200μm，與基體結(jié)合良好，其耐腐蝕性和親水性均增強(qiáng)，為鎂合金作為生物醫(yī)用材料奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、涂層可控、無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)制膜處理的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C25D9/12GK102115901SQ201110007088
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者潘欣, 王旭東, 陳亞芍, 魏彥林 申請(qǐng)人:陜西師范大學(xué)