電泳沉積參數(shù)對(duì)鎂合金基羥基磷灰石表面涂層性能影響*

薛 順，林國(guó)湘，李林升

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001)

0 引言

鎂合金羥基磷灰石表面涂層復(fù)合材料兼?zhèn)淞随V合金良好的力學(xué)性能，又具有羥基磷灰石較好的耐腐蝕性及良好的生物相容性，是一種良好的人工骨材料［1-3］。該復(fù)合材料的制備途徑主要包括激光熔覆、微弧氧化、電化學(xué)沉積、溶膠-凝膠法、仿生溶液生長(zhǎng)法、水熱合成法、等離子噴涂等［4］。其中電泳沉積法工藝簡(jiǎn)單易控制，能精確控制涂層成分、厚度及其他性能，其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、效率高，在研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［5］。電泳沉積法還具有以下特點(diǎn)［6］:條件溫和的表面涂覆方法，可避免因高溫引起涂層的相變及脆裂;非直線電泳沉積過(guò)程，能夠在形狀復(fù)雜的金屬基材表面沉積涂層。

通過(guò)改變電泳沉積工藝參數(shù)，探討懸浮液濃度、陳化時(shí)間、電泳沉積電壓對(duì)所制得的涂層的性能影響，找出較佳的電泳沉積工藝參數(shù)，最后制備鎂合金基HA材料。

1 試驗(yàn)

1．1 鎂合金基羥基磷灰石表面涂層的制備

1．1．1 懸浮液的制備

將HA粉體加入到無(wú)水乙醇分散介質(zhì)中配制一定的濃度的懸浮液，超聲攪拌60 min，煮沸2 h，并陳化一定的時(shí)間。

1．1．2 基材預(yù)處理

將基材鎂合金AZ31B切割成9mm×9mm×1mm的長(zhǎng)方體試樣，其表面經(jīng)過(guò)320～800號(hào)SiC水砂紙打磨后分別在丙酮、無(wú)水乙醇與蒸餾水中超聲清洗10 min，完成后取出自然干燥。

1．1．3 電泳沉積

鎂合金片(9 mm×1 mm)作為陰極，將鉛片(9 mm×9 mm×1 mm)作為陽(yáng)極;兩電極間平行，間距調(diào)至10 mm，豎直插入懸浮液，采用一定恒壓的模式進(jìn)行電泳沉積，電泳時(shí)間為60 min。電泳沉積裝置示意圖如圖1所示。

1．1．4 熱處理

在室溫的條件下進(jìn)行緩慢干燥處理。為了使涂層致密化，對(duì)涂層進(jìn)行熱處理。在400°C氬氣氣氛中保溫10 h。

圖1 電泳沉積裝置示意圖

1．2 材料表征

采用日本JSM-6490LA型掃描電子顯微鏡觀察Mg/HA涂層的表面形貌;X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成。

2 結(jié)果與討論

2．1 鎂合金羥基磷灰石復(fù)合材料表征

在X射線衍射儀上分別對(duì)HA粉體、鎂合金基及HA/Mg復(fù)合材料進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)，通過(guò)衍射圖譜的對(duì)照與分析，確定HA/Mg復(fù)合材料表面涂層的物相組成。如圖2是鎂合金、羥基磷灰石(HA)和鎂合金基羥基磷灰石(HA/Mg)復(fù)合材料的XRD衍射圖譜對(duì)比分析圖。HA/Mg復(fù)合材料與HA粉體的主衍射峰能較好地相對(duì)應(yīng)，且除鎂合金衍射峰以外無(wú)其它的衍射峰存在，表明HA/Mg復(fù)合材料表面涂層主要成分是HA，單一的HA晶相無(wú)變化，且無(wú)其它的雜質(zhì)存在。然而，相比于原HA粉體XRD衍射圖譜，HA/Mg復(fù)合材料中HA衍射峰較高且峰形較窄，表明HA/Mg復(fù)合材料中HA的結(jié)晶度相對(duì)較低、涂層中HA總量相對(duì)較少。

圖2 鎂合金、HA和HA/Mg復(fù)合材料XRD衍射圖譜

2．2 電泳沉積工藝參數(shù)的影響

2．2．1 懸浮液濃度對(duì)涂層的影響

不同懸浮液濃度條件下制備的沉積涂層SEM如圖3 所示，圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別為懸浮液濃度0．01 kg/L 、0．02 kg/L、0．04 kg/L、0．06 kg/L 沉積涂層SEM圖。不同懸浮液濃度下均能制備出涂層，但是涂層的均勻性及表面裂紋有所不同。由圖3可知，隨著懸浮液濃度增加，沉積涂層的表面均勻性變差，涂層的裂紋先減少后增多，懸浮液濃度為0．02 kg/L的涂層性能最佳。涂層產(chǎn)生裂紋的原因主要是溶劑揮發(fā)導(dǎo)致沉積涂層體積的收縮，且涂層收縮程度與涂層的厚度相關(guān)，相比較薄的沉積涂層，較厚的涂層收縮程度大，內(nèi)應(yīng)力大，涂層更易產(chǎn)生裂紋。

圖3 不同懸浮液濃度條件下，陳化時(shí)間10天、電壓60 V所制備的涂層表面形貌SEM圖(×200)

2．2．2 懸浮液陳化時(shí)間對(duì)涂層的影響

懸浮液的穩(wěn)定性是電泳沉積HA涂層的關(guān)鍵因素，獲得穩(wěn)定的HA懸浮液就需要一定的陳化時(shí)間。不同陳化時(shí)間下所制備的沉積涂層SEM如圖4所示，圖4(a)、(b)、(c)分別為陳化時(shí)間0天 、5天、10天的沉積涂層表面形貌。

圖4 不同陳化時(shí)間條件下，懸浮液濃度為0．02 kg/L、電壓60 V所制備的涂層表面形貌SEM圖(×200)

由圖4可知，不同陳化時(shí)間下均能制備出比較致密均勻的涂層。由圖4所知，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層致密越大、均勻性越差。其原因隨陳化時(shí)間延長(zhǎng)，懸浮液中的HA從高聚態(tài)轉(zhuǎn)為分散狀態(tài)，HA懸浮液形成穩(wěn)定的膠體狀態(tài)，更有利于電泳沉積。然而，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，懸浮液中HA顆粒更加分散更穩(wěn)定，平均粒徑越小，沉積涂層由規(guī)則排列的顆粒狀到蓬松的細(xì)花狀，再到不規(guī)則針形蜂窩狀，使得涂層的表面越不均勻。由此可知，懸浮液陳化時(shí)間與沉積涂表面性能有很大的關(guān)系;隨著陳化時(shí)間的增加，涂層的致密更好，而涂層的均勻性下降。

2．2．3 電泳沉積電壓對(duì)涂層的影響

電泳沉積電壓是制備鎂合金基HA表面涂層生物復(fù)合材料的一個(gè)重要因素，它直接影響沉積涂層的厚度、形貌。不同電壓下的電泳沉積涂層SEM如圖5 所示，圖 5(a)、(b)、(c)、(d)分別為電壓 20 V 、40 V、60 V、80 V電泳沉積涂層表面形貌。不同電壓條件下均能制備出涂層，但是不同電壓下涂層的表面形貌不相同。由5所知，隨著電泳沉積電壓的升高，涂層沉積量增加，涂層厚度增加，使得涂層內(nèi)應(yīng)力越大，涂層體積收縮越大，沉積涂層表面出現(xiàn)裂紋更多;同時(shí)，隨著沉積電壓的升高，電泳沉積速率過(guò)快，使得HA粉體在鎂合金基表面沉積不均勻。過(guò)高的沉積電壓容易在陰陽(yáng)兩極間形成高壓放電，使得鎂合金片部分被氧化，鎂合金表面出現(xiàn)變黑的現(xiàn)象。

圖5 不同沉積電壓條件下，陳化時(shí)間10天、懸浮液濃度0．02 kg/L所制備的涂層表面形貌SEM圖(×200)

3 結(jié)論

采用電泳沉積法成功制備出鎂合金基HA表面涂層復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)電泳沉積工藝參數(shù)懸浮液濃度、沉積電壓、陳化時(shí)間對(duì)涂層的制備及性能的影響分析，找到制備較佳工藝條件。懸浮液濃度對(duì)電泳沉積涂層的表面均勻性及表面裂紋情況具有重要影響。濃度為0．02 kg/L的懸浮液所制得的涂層最厚，較均勻，致密化，表面幾乎無(wú)裂紋。懸浮液陳化時(shí)間對(duì)涂層的厚度、表面均勻性、致密化、HA微觀組織有較大影響。懸浮液陳化時(shí)間為10天所獲得的沉積涂層更厚、更致密，裂紋相對(duì)較少，但涂層均勻性較差;沉積電壓對(duì)沉積涂層的均勻性及裂紋情況有較大的影響，對(duì)涂層的致密化影響較小。相比20 V、40 V、和80 V，沉積電壓為60 V所制備的涂層較厚，較均勻，裂紋少。因此，懸浮液濃度0．02 kg/L、懸浮液陳化時(shí)間10 d、沉積電壓60 V為制備鎂合金基HA表面涂層復(fù)合材料較佳的工藝條件。

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