关键词： Ti颗粒增强镁合金   高速冲击   霍普金森压杆   失效分析  

摘要： 镁合金具有密度低、比强度和比刚度高等优点,在汽车、武器装备、轨道交通等领域都有很重要及广泛的应用。镁合金室温弹性模量低,制约了其在某些领域的应用,通过引入特征元素或者构造第二相,可以实现合金模量的提升。随着轻量化需求的扩大,镁合金的服役环境愈加复杂,构件在使用过程中受到高速冲击的场景增多,因此,对镁合金在动态载荷下的性能及失效行为进行研究显得十分必要。本课题以Ti颗粒增强VW75合金为研究对象,通过研究材料在不同条件下的高速冲击性能,分析了Ti颗粒作为增强体在强化合金上的作用,揭示合金在服役过程中的失效机制。 Ti颗粒加入后,挤压态VW75合金晶粒尺寸显著下降,弹性模量提高。随着应变速率的增加,应力不断增大,沿ED方向冲击VW75合金在应变速率为2700s-1时,试样发生断裂,承受最大应力为435MPa;沿ED方向冲击VW75+Ti合金在应变速率达到2400s-1时,试样断裂,最大应力为450MPa。在相同应变速率下,加Ti合金具有更高的抗冲击强度。Ti颗粒的加入使得合金内部晶界增多,晶粒间协调变形能力提升,受到高速冲击时,晶粒易于转动,孪生发生比例降低,Ti颗粒以及晶界增多对位错的阻碍使得合金的抗冲击强度提升。 VW75+Ti合金的抗高速冲击性能存在明显各向异性。相同应变速率下,沿ED方向冲击强度高于沿TD方向,应变结果相反,沿TD方向冲击开裂倾向较低。挤压态合金具有较强的（0001）基面织构,在受到高速冲击时,沿TD方向拉伸孪生及非基面滑移易被激活,塑性变形能力提升。 对VW75+Ti合金进行时效处理后,合金中析出大量弥散分布β'相。合金沿TD方向在应变速率2500s-1时断裂,最大应力为598MPa;沿合金ED方向冲击时,应变速率为1500s-1时合金断裂,最大应力为591MPa。合金时效后沿不同方向的冲击断裂强度相近,TD方向具有较低的断裂倾向。沉淀相在变形过程中起到传递载荷、阻碍位错运动的作用,是合金抗冲击性能提升的主要原因。 挤压态合金及时效态合金断口整体呈现韧、脆混合断裂特征。高速冲击时,材料变形生热,引起合金内部局部熔化现象,断口形貌表现出鱼鳞状组织。

关键词： 镁合金   Mg-7Al-xZn基铸造镁合   Nd   Sb   热处理   显微组织   力学性能  

摘要： Mg-Al-Zn基铸造镁合金因具有低成本、低密度、较高比强度和比刚度以及良好的机械性能和加工性能被广泛应用于航空航天、汽车和数码产品等领域。然而,与同样为轻质合金的铸造钛合金和铝合金相比较,Mg-Al-Zn基铸造镁合金的综合力学性能还相对较差,从而在很大程度上限制了其应用范围。众所周知,合金化和微合金化以及热处理是提高镁合金综合力学性能最常用也是最有效的手段。目前,针对Mg-Al-Zn基铸造镁合金性能改善的研究主要集中在稀土元素合金化和/或微合金化以及热处理强化等方面,而对于主体合金元素Al和Zn影响合金组织性能的研究还不是十分系统。基于此,如何在Mg-Al-Zn基镁合金现有研究结果的基础上,通过Al和/或Zn成分优化并结合热处理强化等手段改善合金的性能,对于高性能低成本Mg-Al-Zn基铸造镁合金的开发及应用具有重要的理论意义和实际参考价值。 本文基于前期Mg-Al-Zn基铸造镁合金已取得的研究结果,通过改变主体元素Zn的含量,设计了Mg-7Al-xZn-0.25Mn（x=1、2、3wt.%）试验镁合金,然后利用熔炼铸造、金相显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、差热分析仪（DSC）、能谱分析（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度和室温拉伸性能测试等手段,研究了不同Zn含量Mg-7Al-xZn-0.25Mn试验镁合金的铸态显微组织及其力学性能。同时,还研究和比较了0.5wt.%Nd和0.5wt.%Sb添加对Mg-7Al-2Zn-0.25Mn试验镁合金的铸态、单级时效和/或双级时效热处理后的显微组织及力学性能影响。论文得到的主要研究结果如下: 1)Mg-7Al-xZn-0.25Mn（x=1、2、3wt.%）试验镁合金的铸态组织主要由初生α-Mg相和呈断续网状树枝晶β-MgAl相组成,其中MgAl相主要呈连续和半连续的骨骼状、颗粒状和层片状三种形貌。在不同Zn含量的试验合金中,以含2.0wt.%Zn试验合金的室温拉伸性能相对较佳,其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达178MPa、81MPa和5.5%。 2)添加0.5wt.%Nd对Mg-7Al-2Zn-0.25Mn试验镁合金的铸态室温力学性能有一定的改善,其中含Nd试验合金的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为183MPa、85MPa和6.4%。同时,含Nd试验合金经390-410℃×12-24h固溶处理后,其固溶组织中的第二相主要包括β-MgAl相、AlNd相、AlNd相、AlNd相和AlMn相,并且在给定固溶温度下,随着固溶时间延长,试验合金晶粒尺寸呈先减小后增大趋势,其中经400℃×20h固溶处理合金的晶粒相对较为细小。相应地,含Nd试验合金经400℃×20h固溶处理后获得了相对较佳的室温拉伸性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达231MPa、110MPa和10.9%。 3)单级时效和双级时效处理对添加0.5wt.%Nd的Mg-7Al-2Zn-0.25Mn试验合金的显微组织和力学性能均存在明显影响。含Nd试验合金经400℃×20h固溶处理和170-230℃×12-72h单级时效处理后,会在晶内连续析出MgA1相以及沿晶界不连续析出呈不规则片层状并向晶内扩展的MgA1相,而经400℃×20h固溶处理和170℃×10h+200℃×36h双级时效处理后,含Nd试验合金则会在晶内连续析出MgA1相以及沿晶界不连续析出呈椭圆状和颗粒状并向晶内扩展的MgAl相。此外,单级时效和双级时效均能改善含Nd试验合金的室温拉伸性能,其中在较优的单级时效工艺下（400℃×20h固溶+200℃×48h时效）和较优的双级时效工艺下（400℃×20h固溶+170℃×10h+200℃×36h时效）,含Nd试验合金的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为239MPa、120MPa、5.1%和285MPa、164MPa、6.6%。总体而言,单级时效和双级时效对含Nd试验合金室温拉伸性能的改善程度相差不大。 4)添加0.5wt.%Sb可细化Mg-7Al-2Zn-0.25Mn试验镁合金的晶粒和改善试验镁合金的室温拉伸性能,其中含Sb试验合金的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为190MPa、87MPa和5.8%。同时,含Sb试验合金经390-410℃×12-24h固溶处理后,其固溶组织中的第二相主要包括MgAl相、MgSb相、AlMn和AlMn相,并且在给定固溶温度下,随着固溶时间延长,试验合金晶粒尺寸呈先减小后增大趋势,其中在400℃×20h固溶处理合金的晶粒相对较为细小。相应地,含Sb试验合金经400℃×20h固溶处理后获得了相对较佳的室温拉伸性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达227MPa、110MPa和10.2%。此外,含Sb试验合金经400℃×20h固溶处理和170-230℃×

关键词： 多孔骨植入体   三周期极小曲面   适应性建模   力学性能   生物相容性  

摘要： 在骨科领域中,由于骨创伤、骨肿瘤和关节炎等骨骼疾病而导致的骨缺损十分常见,通常情况下需要依靠外科手术对骨骼病变或缺损的部位进行修复或替换从而解决患者的病症。其中,多孔骨植入体作为一种人造骨骼,已被广泛应用于临床的人体骨骼置换手术中,但由于多孔骨植入体与人体骨骼在形貌结构、力学性能以及生物相容性等方面的低匹配性,导致多孔骨植入体在临床应用中仍存在使用寿命较短、适配性较差等问题。如何通过骨组织工程构建与人体骨骼结构相仿、力学性能相匹配、生物相容性高的多孔骨植入体,是目前骨组织工程面临的重要挑战之一。 因此,在本研究中,基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)隐式表达式,提出了一种适应性TPMS三维梯度多孔骨植入体结构的参数化模型,通过参数化建模的方式能够更加方便、快捷、有效的实现对人体骨骼外部形貌和内部结构的三维模拟,具有更广的适用范围和更高的仿生性。同时,进一步研究了适应性TPMS三维梯度多孔结构与传统TPMS多孔结构之间在力学性能、渗透性能和生物相容性等方面的差异。 本文主要的研究内容及成果如下: (1)基于骨骼CT影像的逆向建模。基于骨骼CT影像,结合CT扫描原理和图像处理技术,利用Mimics Medical 21.0、Geomagic Wrap 2021、Solid Works2022等软件实现了胫骨CT影像的三维重建。 (2)适应性TPMS三维梯度多孔结构的参数化建模。具体过程如下:(1)沿Z轴方向对骨骼模型进行切片处理;(2)提出一种二分迭代轮廓分割法和极坐标轮廓拟合法对切面轮廓进行低次幂的分段拟合;(3)提出一种距离场中心标定法确定每层切面的中心点位置;(4)构建切面的轮廓方程集和切面的中心点坐标集,并形成一一映射的关系;(5)结合TPMS隐式表达式构建适应性TPMS三维梯度多孔结构表达式的集合形式。并成功构建了胫骨的适应性TPMS三维梯度多孔结构模型。 (3)敏感性分析与有限元仿真。首先,对不同单元尺寸、不同网格大小和不同周期个数下的TPMS多孔结构分别进行了敏感性分析,根据结果精度和计算时间确定以“单元尺寸2 mm、网格大小0.2 mm、周期个数64个”作为后续仿真模型和实验模型的构建标准。然后,对不同孔隙率、不同径向梯度的TPMS多孔结构进行了压缩仿真和渗透性仿真,结果表明,孔隙率越大,力学性能越差,渗透性能越好;孔隙率梯度越大,力学性能越好,渗透性越差,且孔隙率对力学性能和渗透性能的影响要高于孔隙率梯度对力学性能和渗透性能的影响。 (4)适应性TPMS三维梯度多孔结构各项性能的研究。首先,采用三维梯度方式构建了边缘孔隙率为m%、中心孔隙率为n%的椭球状G-TPMS多孔结构模型(记为GTmn),采用径向梯度方式分别以载体模型的最大径和最小径为基准构建了边缘孔隙率为m%、中心孔隙率为n%的椭球状G-TPMS多孔结构模型(分别记为GBmn和GSmn)。然后,利用激光选区熔化(Laser Selective Melting,SLM)成型设备制备了多组Ti6Al4V试件,并分别进行了压缩仿真与实验、渗透性仿真与实验以及体外细胞培养实验。结果表明,适应性TPMS三维梯度多孔结构在力学性能、渗透性能和生物相容性上均得到了不同程度的提升。 综上,适应性TPMS三维梯度多孔结构能够较好的兼顾到力学性能、渗透性能和生物相容性。从仿生学的角度分析,多孔骨植入体的结构越接近人体的骨组织结构,综合性能也就越优秀。

关键词： Mg-Zn-Mn合金   显微组织   导热性能   力学性能   合金化  

摘要： 随着科技不断进步,各类电子器件都朝着“高功率、高效率、高集成”的趋势发展。镁合金作为目前最轻的金属结构材料,具有高导热、优良的电磁屏蔽及阻尼性能,在轻质高导热结构材料领域应用前景广阔。但其导热与力学性能难以协同提升,是制约镁合金结构功能一体化应用的瓶颈。基于此,本文以Mg-1.5Zn-0.5Mn合金为研究对象,通过优化设计合金成分,采用稀土La元素进行合金化,系统地研究了La元素含量对ZM15镁合金显微组织、导热/力学性能的影响,阐明ZM15-x La合金组织演变机理、揭示其导热/强韧化机制,建立成分-组织-导热/力学性能关联,最终实现镁合金导热与力学性能协同提升。本文主要研究结论如下: (1)La元素可有效细化ZM15合金晶粒尺寸。在铸态合金中,ZML151合金晶粒尺寸最小(142.3μm),相比ZM15合金细化了65.2%,这主要归因于La元素加入后起到的成分过冷和促进第二相异质形核作用。在挤压态合金中,La元素可起到促进Mg-Zn-La相动态析出作用。其中微米级相产生PSN效应,增加了动态再结晶形核质点,促进再结晶过程;纳米级相则起到钉扎晶界作用,从而抑制再结晶晶粒长大,在这两个因素有效细化挤压态合金晶粒。其中ZML151合金晶粒尺寸为4.99μm,相比ZM15合金细化了75.9%。但是,当纳米级相增多时,对晶界钉扎作用增强,将抑制再结晶过程发生,导致挤压态ZML150、ZML151组织中出现部分高位错密度的未再结晶区。 (2)La元素促进了Mg-Zn-La相析出,从而减小了镁基体中Zn固溶原子含量,有利于提升ZM15合金的导热系数。由于Mn元素和La元素固溶度较低,在挤压过程中绝大部分以第二相形式析出。因此,挤压态ZML150、ZML151和ZML1515合金的导热系数高于相应的铸态合金,分别为135 W/(m·K)、130.3 W/(m·K)、125.6 W/(m·K),都高于ZM15合金的导热系数(124.9 W/(m·K)),此外,由于在挤压过程中晶粒c轴向最密排面的a轴转动,并且挤压方向平行于原子最密排面,从而导致挤压态合金的导热性能存在各向异性,其垂直挤压态方向的导热系数高于平行挤压方向。 (3)La元素可显著提升ZM15合金的强度,尤其是屈服强度。加入1 wt.%的La元素时,将ZM15合金抗拉强度和屈服强度分别从262 MPa、171 MPa提升至294 MPa、230 MPa。通过对屈服强度进行理论定量计算,表明细晶强化和位错强化是最主要的强化机制。此外,La元素还可以改善ZM15合金塑性,加入0.5wt.%的La元素时,ZML150合金塑性最好,延伸率为17.5%,相比ZM15合金提高了1.9%,主要归因于晶粒尺寸细化使塑性变形过程更加均匀。拉伸断口呈现出明显的韧性断裂特征,La元素加入后,合金断口韧窝数量急剧增加,形貌转变为细小且分布密集。但随着La元素含量进一步增加,由于Mg-Zn-La相尺寸增大,在拉伸过程中应力集中倾向更大,导致ZML151和ZML1515合金塑性降低。

关键词： 电弧增材制造   Mg-Zn-Y合金   显微组织   热循环   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)与其他金属增材制造技术相比具有沉积效率高、材料利用率高、设备成本低等多种优势,其与“21世纪绿色工程材料”一镁合金的结合已成为本领域的研究热点,但是仍存在诸多“卡脖子”问题限制了WAAM镁合金的应用。本文采用自制的Φ1.6mm的ZW61(Mg-6Zn-1Y-0.5Ce-0.5Zr,wt.%)镁合金丝材作为原材料,通过WAAM工艺制备单道壁,对垂直方向上组织和性能的不均匀性进行了表征,并探讨其演化机理。研究了WAAM不同热循环对同层材料的影响规律,结合不同热处理工艺对力学性能的各向异性进行了优化处理。主要结论如下: (1)较高的冷却速率和Zr元素的细化作用使得WAAM-ZW61镁合金具有细小的等轴晶组织,平均晶粒尺寸12.4μm,组织由α-Mg、Mg7Zn3相和纳米尺度的I-Mg3Zn6Y相组成。I相的尺寸较小,是沉积过程中较高的冷却速率以及Mg7Zn3相与其竞争生长所导致的。单道壁垂直高度上的散热条件不同,造成了 WAAM-ZW61镁合金组织不均匀,晶粒尺寸和第二相含量随单道壁垂直高度的升高而增大、增多。另外,由于激冷作用,在小范围内,同一熔池上下两部分的晶粒存在明显差异,表现为上部的晶粒比下部更粗大,层状结构更明显。 (2)在同一高度上孔隙缺陷呈随机分布,但由于沉积时底部区域更靠近基板,冷却速度更快,对熔池中气体的逸出以及剩余液体补缩造成了阻碍,因此底部的孔隙缺陷比顶部更多,尺寸更大。 (3)固溶强化和细晶强化是导致WAAM-ZW61镁合金的强度在垂直方向出现差异的主要原因,在拉伸过程中WAAM-ZW61镁合金表现出较高的伸长率,说明材料有一定的延展性,这归因于稀土元素的添加使材料的非基面滑移可以开动。另外,断口分析表明,晶界处的Mg7Zn3相是导致试样在室温拉伸时过早失效的主要原因。 (4)在后续沉积热循环的影响下,4th中出现明显的热积累,导致了4th中的原生细小晶粒逐渐被周围大晶粒吞并,平均晶粒尺寸不断增大,从10.7μm(未受热循环)增大到20.4μm(3次热循环)。同时,沿晶界分布的Mg7Zn3相形成更规则的网状结构,团絮状的Mg7Zn3相逐渐分散直至消失,I相长大并形成其典型的层状结构特征,生成了新相MgZn。I相长大和MgZn相的生成可能与热积累导致Mg7Zn3相在330℃左右发生转变(Mg7Zn3(?)α-Mg+MgZn+I)有关。 (5)4th的显微硬度和强度在热循环的影响下均有一定程度的提高,但伸长率降低。固溶强化是导致WAAM-ZW61镁合金强度提高的原因,而伸长率的降低主要是由于I相长大团聚造成的。 (6)对WAAM-ZW61镁合金进行了固溶、时效和固溶+时效三种热处理,结果表明,热处理后材料力学性能各向异性得到明显削弱,证明热处理是降低WAAM-ZW61镁合金各向异性的有效手段。其中对各向异性优化效果最佳的固溶热处理工艺是460℃×4h,其缺点在于牺牲了材料的强度,200℃×72h(时效)的优化效果略低于前者,但同时能够提高强度,460℃×4h+200℃×72h(固溶+时效)的优化效果最差,未达到在单独固溶/时效基础上进一步削弱各向异性的效果。

关键词： AZ31镁合金板材   超声振动辅助剪切   断裂行为   剪切边缘硬度   优化算法  

摘要： 镁合金板材因其优良性能被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。各类产品在经过冲压、滚压、折弯等成形工序形成零件前,大多要经过剪切、冲裁等分离工序。然而镁合金板材在室温下强度较高,塑性较差。在剪切过程中,可能导致金属板材剪切断面弯曲开裂、边缘开裂等表面质量缺陷,使得断面质量较差,这些问题严重影响了产品的质量和加工效率。超声振动辅助加工作为一种创新的金属加工方法,其技术已趋向成熟,目前与车削、冲裁多种加工方式结合,对于改善零件表面质量效果显著,尤其适用于高强度、高硬度的材料。 本文针对镁合金板材剪切质量差等问题,提出一种将超声振动与剪切加工相结合的新型加工方式,并从模拟与试验两方面入手,对镁合金板材超声振动辅助剪切过程进行研究,并与传统剪切进行对比,探究超声振动对改善板材剪切断面质量的影响效果及作用机制。最后采用优化算法以剪切质量为目标,对剪切工艺参数进行优化,获得较优的剪切工艺方案,为后续研究及实际生产提供一定参考。论文主要内容如下: (1)使用ABAQUS对AZ31镁合金板材传统剪切与超声振动辅助剪切过程进行有限元分析,建立了考虑温度效应及损伤演化的超声振动辅助剪切加工模型,并对超声振动施加方式的有效性进行验证。得到了不同剪切阶段板材的应力分布、板材和上剪刃刃口处的温度分布及剪切力变化规律。通过对板材在传统剪切与超声振动辅助剪切下不同剪切阶段的研究对比,明确了超声振动对提高板材剪切断面质量的作用机制,为镁合金板材超声振动辅助剪切提供理论指导。 (2)完成了各工艺参数下的板材剪切试验,并结合相关理论知识对超声振动辅助剪切过程中上剪刃的运动轨迹及板材受力情况进行分析。通过对板材剪切断口的微观组织结构、几何特征尺寸、显微硬度以及断口微观形貌进行观测,系统地研究了超声振动辅助剪切过程中材料晶粒变形以及断裂行为,得到了超声振动对板材剪切边缘硬度的影响规律。 (3)根据板材剪切断面几何特征尺寸的测量数据,分析了超声振动辅助剪切工艺参数(板材温度、剪刃间隙、超声振幅)对剪切断面的影响规律,随后依据正交试验结果建立了剪切质量关于各工艺参数的数学响应模型,并采用改进的多目标灰狼优化算法和基于熵权-TOPSIS法获得了最优剪切工艺参数。最后基于多输入多输出最小二乘支持向量回归机建立了剪切质量预测模型,实现了镁合金板材超声振动辅助剪切过程的工艺参数优化和质量预测。

关键词： 粉尘爆炸   铝镁合金   爆炸压力   抑爆剂   抑爆机理  

摘要： 铝镁合金在抛光、打磨等过程中,会产生细小的粉尘而悬浮于空气中,遇点火源具有一定的爆炸危险性。为了减小铝镁合金粉尘爆炸事故危害,选取氰尿酸三聚氰胺(MCA)、三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和NaH2PO4三种典型抑爆剂对铝镁合金粉尘爆炸特性开展研究。利用20 L球形爆炸实验系统对抑制铝镁合金粉尘的爆炸特性参数进行测试,确定了最小完全惰化浓度。采用X衍射图和FTIR红外光谱图分析了铝镁合金粉尘添加不同质量分数抑爆剂后的化学成分变化和微观基团变化规律。应用Chemkin软件对MCA、MPP和NaH2PO4三种抑爆剂抑制铝镁合金粉尘爆炸过程的自由基变化及反应路径进行数值模拟,得到三种抑爆剂抑制铝镁合金粉尘的爆炸机理。 铝镁合金粉尘的氧化过程可分为缓慢氧化阶段和快速氧化阶段,随着温度的升高,铝镁合金粉尘持续吸热,氧化反应速率增加,铝镁合金粉尘氧化膜破裂,被氧化层包裹着的铝镁合金粉尘暴露在空气中,铝镁合金质量缓慢增加。当温度高于1000℃时,铝镁合金粉尘加速反复氧化,质量迅速增大,最终导致剧烈的燃烧反应。对比了三种抑爆剂的吸热量及质量损失规律,MCA和MPP具有更好的热稳定性,相比较于NaH2PO4,热分解过程可以吸收更多的热量。 MCA、MPP和NaH2PO4均可以实现完全抑爆,且MCA、NaH2PO4、MPP的最小完全惰化浓度(MCIC)分别为60wt%、70wt%、70wt%时,比铝镁合金粉尘原样的爆炸强度分别降低了 83.86%、87.87%、93.58%。 铝镁合金粉尘爆炸后的爆炸产物中-OH、Mg-O、Al-O官能团拟合面积为原样的5.775、2.231、5.886倍。对Al-O基团的生成抑制效果方面:MPP>MCA>NaH2PO4。对 Mg-O 基团的生成抑制效果方面:MCA>MPP>NaH2PO4。 通过Chemkin数值模拟,Al的氧化过程是一个复杂的含有多组基元反应的过程。相较于Al,Mg的氧化过程较为单一,Mg的与氧亲和力大于Al,在铝镁合金粉尘原样中优先被氧化。将三种抑爆剂抑制铝镁合金粉尘爆炸效果对比,对于降低爆炸温度方面,MPP=MCA>NaH2PO4,对于消耗氧气方面,MCA>MPP>NaH2PO4。MCA对抑制铝镁合金粉尘氧化反应过程中的Al-O、Mg-O和O自由基生成效果最佳。 根据实验测试及数值模拟结果,三种抑爆剂对铝镁合金粉尘的爆炸的抑制效果为MCA>MPP>NaH2PO4。MCA和MPP抑爆机理主要包括气相惰化抑制和链式反应中断抑制效应。NaH2PO4抑爆机理主要包括物理包覆隔氧和链式反应中断抑制效应。MCA中的氮原子具有更高的氢原子替代能力,更容易与自由基中间体(OH、H等)结合,可中断铝镁合金粉尘爆炸过程中的链式反应,其抑爆能力优于NaH2PO4。研究成果可为工业生产过程中铝镁合金粉尘抑爆剂的选取提供理论基础和依据。

关键词： 多孔镁合金   电化学沉积   纳米粒子   钙磷涂层   耐蚀性   抗菌  

摘要： 多孔镁合金作为骨缺损植入物在人体环境存在体内腐蚀过快及植入感染的问题。表面改性是能够改善其耐蚀性并提升其功能性的有效方式之一。本文采用电沉积工艺,在多孔镁合金上成功制备了二水磷酸氢钙（DCPD）涂层。通过调整电沉积溶液的p H、沉积温度以及沉积时间、氢氟酸（HF）预处理时间,探索了制备DCPD涂层的最佳工艺;通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）对DCPD涂层进行表面形貌、物相组成、截面形貌及其厚度、化学成分进行分析,并对涂层耐蚀性进行研究。为进一步提高植入物的抗菌能力,研究了载万古霉素的壳聚糖封闭的介孔二氧化硅纳米粒子（Van@MSNs-CS）和负载丹皮酚的以普鲁士蓝@介孔二氧化硅核壳纳米粒子（MPB@m Si O2-pae）分别与DCPD共沉积的复合涂层耐蚀性、生物相容性和抗菌性能的影响。利用FT-IR、XRD、比表面积测试法（BET）、SEM、透射电镜（TEM）等方法研究了两种纳米粒子的特性以及纳米粒子的药物释放特性。通过SEM研究了涂层的形貌、组成成分、析氢后的腐蚀形貌、耐蚀性以及涂层在不同p H的磷酸盐缓冲液（PBS）中的释放效果;最后对其抗菌性能、细胞毒性以及细胞粘附进行评价。综合以上实验结果,可以得出以下结论: （1）采用电沉积法在多孔Mg-1Zn-1Ca-0.5Mn合金表面制备DCPD涂层,通过其表面形貌研究,确定制备涂层的最佳工艺条件:p H=4.4,室温,沉积时间120 min,氢氟酸预处理10 min;在多孔镁合金上制备出DCPD涂层致密、均匀,厚度约为14μm,体外SBF中析氢结果显示DCPD涂层多孔镁合金腐蚀速率大大降低;细胞实验表明,涂层对细胞没有毒性,并且改善了镁合金的生物相容性。 （2）合成了负载万古霉素的壳聚糖封闭的介孔二氧化硅纳米粒子（Van@MSNs-CS）,具有良好的p H响应药物释放效果。采用电化学共沉积法在多孔镁合金表面制备DCPD/Van@MSNs-CS复合药物涂层。研究显示,加入纳米粒子共沉积时间为120 min的复合涂层（MC-12）表面均匀致密,拥有最好的耐蚀性和突出的p H响应的药物释放能力。抗菌实验表明,药物复合涂层具有良好的抗菌能力,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别达到99.73%,99.53%。细胞实验表明复合涂层对细胞没有毒副作用,能促进细胞的粘附和增殖。 （3）在最佳条件的DCPD涂层基础上,加入MPB@m Si O2-pae纳米粒子,通过共沉积方法制备纳米粒子-钙磷复合涂层。结果表明加入MPB@m Si O2-pae纳米粒子浓度为1.5 g/L的复合钙磷涂层（MS3）样品表面均匀且致密,其拥有最好的耐蚀性、良好的p H响应和光热双响应的药物释放能力。抗菌试验表明加入丹皮酚药物并进行红外光光照之后的样品(pae-MS3（+）)拥有很好的抗菌能力。其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率可以达到100%。细胞实验表明,复合涂层对细胞没有毒副作用,能促进细胞的粘附和增殖。