关键词： 锌合金   生物相容性   血液相容性   细胞毒性   代谢组学  

摘要： 锌合金力学性能显著优于可降解高分子-聚乳酸,腐蚀速率在可降解金属-镁、铁之间,作为可降解血管支架材料应用前景广阔。近年来,研究者们对锌合金的成分设计、加工制备以及降解机理进行了大量研究,但对其生物相容性研究仅停留在材料的细胞实验和动物实验表征水平,目前存在以下几个关键科学问题:(1)材料的血液相容性是支架临床应用最关键的安全性指标。血液相容性欠佳的支架植入血管时,血液与支架材料的相互作用将触发一系列复杂的事件,包括但不限于蛋白质吸附、血小板粘附及活化、补体系统活化、凝血级联反应等。这些事件高度相关,导致血栓和炎症。目前对锌和锌合金材料的血液相容性及其影响因素缺乏系统的认识和评价。(2)植入后的支架长期与血管内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞和巨噬细胞接触,锌合金降解产物对上述细胞的影响尚不明确。对材料浸提液产生的细胞毒性缺乏正确的分析和判断。(3)近年来分子生物学和生物信息学发展迅速,如何利用先进的代谢组学手段从分子整体水平分析细胞对锌合金血管支架降解产物的响应,尚无先例。 本论文以上述问题为出发点,首先对Zn及高强高韧的Zn-0.8X(Cu,Mn,Li)的血液相容性、细胞相容性进行了系统的研究,优选Zn-0.8Cu用于制作可降解血管支架。基于对可降解材料生物相容性风险的评估,对Zn-0.8Cu血管支架进行以血液相容性、细胞相容性和代谢调控为主要风险控制因素的生物相容性研究。在丰富相关理论的同时,为Zn-0.8Cu血管支架的临床应用奠定了基础,主要结论如下: (1)锌合金的主体成分-纯Zn具有良好的血液相容性,其在溶血、血小板粘附和激活、凝血、补体激活、血细胞吸附和凝集等各方面符合国际标准ISO 10993.4-2017对血管支架材料的要求。Zn2+对溶血的影响存在剂量效应关系,低浓度的Zn2+具有稳定细胞膜的作用。合金化元素Cu、Mn和Li对纯Zn的血液相容性具有促进作用。Zn及Zn-0.8X(Cu,Mn,Li)可抑制凝血进程。Zn-0.8Cu血管支架具有优异的血液相容性。 (2)细胞对Zn2+存在急性应激,且具有剂量-反应关系。高浓度Zn2+(≥150μM)出现重度细胞毒性,中等浓度Zn2+(100 μM)抑制细胞增殖,低浓度Zn2+(25μM)有促进细胞生长的趋势。常用锌合金元素的细胞毒性:Cu≈Mn>Zn>Li,对上述金属离子的耐受度:巨噬细胞>内皮细胞>平滑肌细胞>成纤维细胞。高浓度时细胞毒性:Zn-0.8Mn≈Zn-0.8Cu>Zn-0.8Li≈Zn;低浓度时,Zn及Zn-0.8X(Cu,Mn,Li)均无细胞毒性。根据对支架体内外细胞相对毒性载量的分析,提出在体外细胞毒性试验时,可对支架浸提液进行7-10倍的稀释,为可降解锌合金及其他可降解金属材料的细胞毒性评价提供了新思路。按此方法分析,Zn-0.8Cu血管支架的浸提液及主要降解产物(ZnO、(ZnCO3)2·(Zn(OH)2)3、Zn3(PO4)2)均具有可接受的细胞相容性。 (3)当暴露在Zn-0.8Cu支架浸提液中时,Eahy926细胞内差异代谢物的种类和数量随时间不断变化,说明细胞可以通过自身调节代谢物及代谢通路的变化来适应所处环境。100%Zn-0.8Cu支架浸提液对细胞的影响主要在脂质代谢通路,20%Zn-0.8Cu支架浸提液则会引发细胞更多的核苷类、糖类和蛋白质代谢,这说明过量Zn2+对细胞的破坏主要通过脂质代谢通路,引起花生四烯酸代谢通路的氧化应激反应,在COX-2的作用下,花生四烯酸下游产物PGE2和PGI2分泌增加,调节内皮细胞氧化应激的炎症反应;适量Zn2+通过影响脂质代谢、核苷类、糖类和蛋白质代谢促进细胞的活力和增殖。 综上所述,Zn-0.8Cu血管支架具有良好的生物相容性。该论文可为其他可降解材料的生物相容性评价研究及分子机制研究提供一种行之有效的方法。

关键词： 镁合金   磁控溅射   Ni/Ni3N复合薄膜   组织结构   耐磨耐蚀性能  

摘要： 镁合金具有特殊的力学性能和物理性能,在消费电子、交通运输、航空航天、军事工业等领域有广泛的应用前景。但镁合金的耐磨和耐蚀性能较差,使其在许多领域的应用受到限制。 金属镍具有优良的耐蚀性能和韧性,而氮化镍具有高硬度和高耐蚀性。利用磁控溅射技术在镁合金表面制备兼具两者性能优点的镍/氮化镍复合膜层,是值得探索的改善镁合金表面耐蚀耐磨性能的重要方法。 本文采用磁控溅射技术,在分别优化镍和氮化镍沉积工艺的基础上,在镁合金表面通过交替沉积的方法制备了镍/氮化镍复合膜,分析了膜层的磨损性能和腐蚀性能,并讨论了磁控溅射工艺对膜层磨损和腐蚀性能影响的原因。 首先以影响镍溅射状态的工艺控制参数为因素,以膜层厚度、膜基结合力、膜层覆盖率为指标设计正交试验,对影响镍膜单一和综合指标的溅射工艺进行分析,筛选出镍膜综合指标最佳的磁控溅射控制工艺因素组合,为溅射功率200 W、Ar压强0.3 Pa、偏压0 V、基底温度100℃。在此工艺下,主要以复合膜中镍层的设计厚度为依据,确定复合膜制备时镍的最佳沉积时间为20min,此沉积时间下,膜厚在0.86μm左右,表面粗糙度最大。 选取对溅射状态有较大影响的工艺控制参数为因素,以氮化镍层的厚度和结晶度为指标构建正交试验,在确定膜层为Ni3N的前提下,分析了溅射工艺对氮化镍层单一指标和综合指标的影响,筛选出氮化镍沉积层综合指标最佳反应磁控溅射的控制工艺因素组合为:N2分压0.3 Pa、溅射功率200 W、基底温度200℃和偏压100 V。在此工艺下,以复合膜中氮化镍层的设计厚度为考量,确定复合膜制备时Ni3N的沉积时间为10 min。在此沉积时间下,厚度0.21μm左右,粗糙度与镍层相近。 最后,采用上述工作所确定的镍和氮化镍的溅射工艺,在镁合金基底上分别制备了单叠层和双叠层的镍/氮化镍复合膜层以及镍/氮化镍/镍复合膜层,通过XRD、SEM以及EDS分析了复合膜的组织和结构,以镁合金为对照,进行往复摩擦磨损实验,并利用纳米压痕仪和电化学工作站等设备测定硬度、弹性模量和腐蚀性能。结果表明:随着复合膜层数的增加,AZ31镁合金的磨损量为0.0138mm3,沉积单叠层Ni/Ni3N、Ni/Ni3N/Ni和双叠层Ni/Ni3N复合膜的磨损量分别为0.0044mm3、0.0027mm3和0.0014mm3,耐磨性显著提高;AZ31镁合金的腐蚀电流密度(Icorr)与自腐蚀电位(Ecorr)分别为3.65×10-5A/cm2和-1.47V,沉积单叠层Ni/Ni3N、Ni/Ni3N/Ni和双叠层Ni/Ni3N复合膜的腐蚀电流密度与腐蚀电位分别为3.85×10-6A/cm2和-0.191V,3.15×10-6A/cm2和-0.184V,4.48×10-6A/cm2和-0.199V,腐蚀倾向明显减小。

关键词： 压敏胶   医疗器械   生物相容性   厚度  

摘要： 目的 研究不同类型的医疗器械用压敏胶的生物相容性，为压敏胶的规范使用提供理论支撑。方法 按参照GB/T16886医疗器械生物学评价标准，对不同类型的医疗器械用压敏胶进行细胞毒性试验、中性红摄取试验、溶血试验和凝血试验等生物相容性评价试验研究。结果 YP1、YP3和YP4在厚度40μm时细胞存活率<70%,YP1、YP3和YP4在20μm和40μm厚度时中性红吞噬率均下降超过50%,YP3和YP4在10μm、20μm和40μm厚度时的溶血率均>5%,YP3和YP4在厚度20μm和40μm时的PTT值与空白对照相比的百分比均<80%。结论 在本次试验条件下，部分厂家的丙烯酸酯压敏胶，尤其是YP3和YP4，在一定厚度时具有潜在细胞毒性，抑制细胞的吞噬功能，具有溶血反应和凝血反应，在医疗器械的使用时应慎重考虑。

关键词： 聚氨基酸   硒掺杂羟基磷灰石   复合材料   生物相容性   成骨性能  

摘要： 研究背景:由遗传、肿瘤、感染和外伤等因素引起的骨缺损是常见骨科疾病,大尺寸骨缺损的修复与重建仍是临床面临的挑战之一。在大面积骨缺损修复过程中,通常需要植入人工骨修复材料以恢复损伤处的组织结构。羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)是一种常见的骨修复生物陶瓷材料,具有良好的骨传导性。HA中掺杂不同的元素改善其生物学性能是骨修复材料的研究热点。硒(Selenium,Se)是人体必需的微量元素,它对人体有着广泛的生物学和药理学作用。人体内Se水平与骨骼健康密切相关。已有研究表明,Se的添加可改善骨修复材料的成骨性能,但多数研究集中于其抗肿瘤作用,成骨性能的研究较少。聚氨基酸[Poly(amino acid),PAA]是一类以肽键连接,多种氨基酸为共聚单元的天然高分子聚合物,具有类似蛋白质的骨架、良好的力学性能和易塑形。目前尚未见报道使用Se掺杂HA(Se-HA)和PAA合成的复合材料(PAA/Se-HA)作为骨植入物。因此,本课题通过原位熔融聚合法制备了不同质量分数Se-HA(0、10 wt%、20 wt%和30 wt%)掺杂的PAA/Se-HA复合材料,并探究其体内外生物相容性和成骨性能。 研究方法: 1.采用沉淀法合成Se-HA粉末,将6-氨基己酸、蛋氨酸、4-氨基丁酸、L-羟脯氨酸和丙氨酸通过熔融聚合法制备出五元氨基酸共聚物,然后与Se-HA粉末原位复合得到不同质量分数Se-HA(0、10 wt%、20 wt%和30 wt%)的PAA/Se-HA复合材料。通过X-射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)分析其晶型结构;傅里叶红外变换光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FT-IR)分析其官能团组成;扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)分析其微观形貌;热重分析(Thermogravimetric Analysis,TGA)和差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)分析其热学性能;并分析其力学性能。 2.将PAA和PAA/Se-HA复合材料浸提液与人骨肉瘤细胞(MG-63)、小鼠骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells,BMSCs)共培养,通过Cell Counting Kit-8(CCK-8)和核固红染色实验评价PAA和PAA/Se-HA复合材料的体外生物相容性;通过碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase,ALP)定量分析、成骨细胞矿化分析、蛋白质免疫印迹(Western blot)和实时定量聚合酶链式反应(Real-time Quantitative Polymerase Chain Reaction,RT-q PCR)评价PAA和Se-HA掺杂量为30 wt%的PAA/Se-HA(PAA/Se-HA30)复合材料体外诱导BMSCs成骨分化能力。 3.制备新西兰大白兔背部肌肉和股骨髁缺损模型,将PAA和PAA/Se-HA30复合材料植入缺损部位,通过组织学观察评价PAA和PAA/Se-HA30复合材料的体内生物相容性和成骨性能。 研究结果: 1.通过原位熔融聚合法制备了含有不同质量分数Se-HA(0、10 wt%、20 wt%和30 wt%)的PAA/Se-HA复合材料。表征结果显示,PAA/Se-HA复合材料中含有PAA的特征酰胺键,Se-HA可均匀分布于PAA基体中。Se-HA的掺杂提高了PAA/Se-HA复合材料的热稳定性和力学性能。PAA/Se-HA30复合材料的结晶温度为203.33℃,熔融温度为162.54℃,最大失重温度为468.92℃,热稳定性良好。PAA/Se-HA30复合材料的弯曲、抗压和屈服强度分别为(83.07±0.57)、(106.56±0.46)和(99.17±1.11)MPa,具有良好的力学性能。 ***-8和核固红染色实验结果表明,PAA和PAA/Se-HA复合材料均能促进MG-63和BMSCs的增殖,其中PAA/Se-HA30促增殖能力最强,体现出良好的生物相容性。体外成骨诱导分化结果显示,与完全培养基培养的对照组(control)、成骨诱导完全培养基培养的诱导组(induce)和含有PAA浸提液的成骨诱导完全培养基培养的PAA组(PAA)相比,含有PAA/Se-HA30复合材料浸提液的成骨诱导完全培养基培养的PAA/Se-HA30组(PAA/Se-HA30)更能提高ALP活性,促进细胞外基质矿化,上调成骨分化相关蛋白和基因(IBSP、Runx2、OPN和Osterix)的表达,且具有显著性差异(P<0.05)。 ***和PAA/Se-HA30

关键词： 双峰分离非基面织构镁合金   预变形   深冷处理   微观组织演变   塑性变形机制  

摘要： 传统基面织构镁合金板材密排六方的晶体结构,导致其在室温下激活的滑移系有限,进而造成其室温强度和成形性能较差,阻碍了其在工业领域的应用。研究表明,实现镁合金板材织构的非基面化是提高其成形性能的有效途径。本课题组通过等径角轧制-连续弯曲-退火（equal channel angular rolling and continuous bending with subsequent annealing,ECAR-CB-A）工艺制备出双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材具有良好的室温成形性能,其室温杯突值高达7.4mm。然而,进一步的研究表明,该双峰分离非基面织构的引入会带来织构软化效应,即AZ31镁合金板材的初始屈服强度仅为73MPa,相较于基面织构板材的初始屈服强度162MPa,显著降低了约54.94%,严重制约了该双峰分离非基面织构板材的商业化应用。 当前,针对基面织构镁合金板材的相关研究表明,通过预变形引入{10-12}拉伸孪晶（extension twin,ET）以及通过深冷处理进行析出相和位错结构调控,可以有效改善镁合金板材的成形性能并提高其强度。然而,关于非基面织构镁合金板材的相关研究还未见报道。鉴于此,本研究分别对经过预变形5%和深冷处理12h后的双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材进行室温单轴拉伸实验,结合金相（optical microscope,OM）,X射线衍射（x-ray diffraction,XRD）,电子背散射衍射（electron backscattered diffraction,EBSD）和透射电子显微（transmission electron microscopy,TEM）表征技术,开展预变形和深冷处理对双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材力学行为、微观组织演变及变形机制的影响研究。本文的主要结论如下: （1）预变形对双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材室温力学行为、微观组织演变及变形机制的影响:RD试样的初始屈服强度和断裂延伸率较未预变形试样分别有212.5%提升和56.9%降低。TD试样的初始屈服强度和断裂延伸率较未预变形试样分别有6.7%降低和37.9%提升。在初始屈服强度上的差异,主要是由于TD试样中TD织构组分所对应的晶粒将比RD试样中双峰分离非基面织构组分所对应的晶粒更容易激活基面

关键词： 镁合金   合金化   表面电势   微电偶腐蚀   原位观察  

摘要： 镁合金的腐蚀行为与其微观结构密切相关,常规腐蚀测试手段难以深入探究镁合金局部腐蚀演化过程,腐蚀原位观察技术可准确表征镁合金在电解液中的腐蚀行为,有助于开发新型耐蚀镁合金。为了更直接和更全面地了解镁合金的腐蚀机理,本研究采用多种原位观察技术记录了稀土Nd、Y元素改性的Mg-Al系镁合金腐蚀演化过程,阐明了不同稀土金属间化合物对镁合金微电偶腐蚀的影响规律,在机制机理上对金属间化合物如何实现镁合金耐蚀性能改善进行解释。 采用原位光学显微镜（In-situ OM）、原位激光扫描共聚焦显微镜（In-situ LSCM）、原位电化学光学显微镜技术（In-situ EC-OM）、准原位扫描电子显微镜（Quasi-in-situ SEM）、扫描开尔文显微镜（SKPFM）探究了Mg-7Al-1Fe-xNd合金的微电偶腐蚀行为。Mg-7Al-1Fe合金由α-Mg基体、β-Mg17Al12相和Al Fe3相组成。在Mg-7Al-1Fe合金中加入Nd不仅细化了β-Mg17Al12相,而且还抑制了阴极Al Fe3相。扫描开尔文显微镜（SKPFM）结果显示,Nd-rich/α-Mg（～220 m V）的电位差显著小于Al Fe3/α-Mg（～400 m V）,大于β-Mg17Al12/α-Mg（～150 m V）。原位激光扫描共聚焦显微镜（In-situ LSCM）结果表明,氢气泡起源于接近Al Fe3相的基体,微电偶腐蚀优先在强阴极Al Fe3相周围开始。通过电化学控制下的原位光学显微镜研究了Mg-7Al-1Fe-xNd合金在电解液里的局部微电偶腐蚀过程和腐蚀动力学信息,结果表明,Mg-7Al-1Fe合金的Al Fe3/α-Mg边界处发生了严重的腐蚀,可引起沿β-Mg17Al12相延伸的丝状腐蚀,而Mg-7Al-1Fe-0.8Nd合金仅发生了轻微的腐蚀。在微尺度动电位极化试验中,Mg-7Al-1Fe-0.8Nd的电流密度远小于Mg-7Al-1Fe合金,Mg-7Al-1Fe-0.8Nd合金中富Nd相的形成导致了电位差从～400 m V（Al Fe3/α-Mg）降到了～220m V（Nd-rich/α-Mg）,因此减少了阴极相周围的腐蚀产物和微尺度区域的腐蚀电流密度。Mg-7Al-1Fe-0.8Nd合金具有最低的电流密度(icorr=9.2μA·cm-2),最大的电荷转移电阻(Rct=302.8Ω·cm2)和最低的平均腐蚀速率（PH=5.3 mm/y,PW=5.8 mm/y）。Nd的加入显著提高了耐腐蚀性,这主要是因为减弱了第二相与α-Mg基体之间的微电偶效应。 采用原位光学显微镜、准原位扫描电子显微镜、扫描开尔文显微镜揭示了稀土Mg-9Al-1Zn-（x Y）镁合金的微电偶腐蚀行为。Mg-9Al-1Zn基体合金的具有连续网络结构的β-Mg17Al12相和块状灰色的Al-Mn相组成。当添加稀土Y至Mg-9Al-1Zn合金后,β-Mg17Al12变成了精细的网络破碎结构,并且形成了新的富Y稀土相。Mg-9Al-1Zn-（x Y）合金的SKPFM结果显示:Y-rich/α-Mg（～230m V）的电位差显著小于Al-Mn/α-Mg（～300 m V）,大于β-Mg17Al12/α-Mg（～170 m V）。原位光学显微镜和准原位扫描电子显微镜腐蚀观察结果表明:强阴极Al-Mn相周围发生了强烈的微电偶腐蚀,富Y相与基体的微电偶效应较弱,β-Mg17Al12相短期内没有观察到明显的腐蚀变化。根据失重析氢实验和电化学测试实验,Mg-9Al-1Zn-0.6Y合金(Pw=0.14 mm·y-1,icorr=10.03μA·cm-2)和Mg-9Al-1Zn-1.2Y合金(Pw=0.24 mm·y-1,icorr=14.92μA·cm-2)的腐蚀速率均远小于基体Mg-9Al-1Zn合金的(Pw=2.92 mm·y-1,icorr=80.02μA·cm-2)腐蚀速率。Mg-9Al-1Zn镁合金中体积分数较大的β-Mg17Al12相在长期浸泡中引发了强烈微电偶腐蚀,引入稀土元素Y显著减少了有效阴极相(包括β-Mg17Al12相和富Y相)的面积,分散分布的β-Mg17Al12相和富Y相对提高镁合金的耐蚀性具有积极作用。

关键词： 聚焦离子束   Si3N4陶瓷   微铣刀   颅骨铣孔   生物相容性  

摘要： 颅骨引流手术是治疗脑出血等神经外科疾病最有效的治疗方式,而颅骨铣孔是手术过程中必不可少的步骤。目前医疗行业使用的铣孔刀具尺寸在厘米级至毫米级之间,手术过程中操作不当会造成严重的机械损伤。微型颅骨引流手术不仅可以降低颅压,还能够减少创伤以及术后的愈合时间,但是需要较小尺寸的医用铣刀进行手术。本文针对该治疗手段的需求,设计一种医用颅骨微创铣孔刀具,结合聚焦离子束加工技术对微铣刀进行制备。 对颅骨的结构和功能进行分析,选用力学性能与生物相容性兼具的氮化硅（SiN）陶瓷作为微铣刀材料,结合微铣刀设计准则设计了三刃型、四刃型两种直刃式、刃倾角选为60°的微铣刀。使用Ansys workbench中显示动力学模块对微铣刀铣削颅骨模型进行了动力学分析。结果表明,三刃型微铣刀对颅骨的损伤略小于四刃型微铣刀,同时三刃型微铣刀铣孔后内孔的表面形貌较为规整。对三刃微铣刀进行应力应变分析和模态分析。结果表明,刀尖处最大应力值为5.27 MPa,远低于SiN材料的断裂强度,满足设计要求。模态分析结果表明所设计刀具的一阶固有频率为19568 Hz,远高于共振频率,铣刀在机床主轴转速范围内不会发生共振。 通过SRIM软件计算了FIB加工SiN材料的加工特性,研究了不同入射离子个数、不同离子能量、不同入射角度对溅射产额的影响。结果表明,当入射离子个数超过3000个时,溅射产额值趋于稳定,当离子能量在30 ke V,入射角度为80°时溅射产额值最大,最大为56.5 atoms/ion。同时研究了镓（Ga）离子轰击SiN材料的损伤情况,结果表明,在离子能量为30 ke V时,表层材料的损伤深度为69nm。反冲原子造成的能量损失大于入射离子的能量损失,反冲原子大部分以声子和电离的形式损失。 采用HF溶液为腐蚀液,对SiN刀坯材料进行微量去除,研究了温度、时长和浓度对腐蚀效率和腐蚀形貌的影响。结果表明,相比于30%浓度的腐蚀液,15%浓度的腐蚀液对材料表面形貌影响小。当腐蚀液浓度为15%,腐蚀时间在6.5 h时,腐蚀温度为130℃时材料的去除量约为500μm,在此参数下制备了刀具坯材。最后采用了聚焦离子束设备对微铣刀进行制备,选定30 ke V,60 n A的加工参数对刀面进行加工,再采用5 ke V,12 n A的加工参数对刃口进行加工,得到了刃口尺寸为500 nm的微铣刀。 选取小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）进行了微铣刀材料的生物相容性实验。在细胞生长一周后采用倒置光学显微镜对细胞的生长状况进行观察。结果表明,微铣刀材料的加入并不会排斥成骨细胞的生长。对细胞进行染色来评估微铣刀材料的毒性。结果表明,微铣刀材料不会对成骨细胞产生毒性。说明制备的微铣刀具有良好的生物相容性。搭建了微创小孔铣削实验平台,使用猪颅骨代替人颅骨进行微铣刀的铣孔实验。分析了微铣刀铣孔过程中的轴向切削力,并在超景深三维观察显微系统对微孔的表面形貌进行观察。结果表明,微铣刀可以铣穿3 mm厚的颅骨,铣削后的微孔尺寸为500μm,且轮廓较为规则,可以为之后的软管插入进行脑出血的引流,达到了预期效果。

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： AZ31镁合金   箔带   无火电轧   第二相  

摘要： 镁合金由于其独特的密排六方结构使其在室温下成型困难,轧制时会随着变形量的增加难以在后续道次继续减薄,这可能与其微观组织内的第二相有密切关系,第二相的调控直接影响镁合金板材的强度和塑性。本文以商用AZ31镁合金为研究对象,通过电塑性轧制试验研究第二相演变机制,并借助电塑性效应和第二相组织调控手段,制定出一套可行的镁箔无火异步电轧工艺,最终成功制备强度高、质量好,厚度仅为0.06mm的AZ31镁合金箔带。 首先,为研究电轧镁合金第二相演变机制,进行镁合金多道次异步电塑性轧制和等温温轧,研究了电轧对第二相演变的影响和电塑性效应对镁合金轧制的影响效果。发现第二相随变形量的增大固溶到镁合金基体之中,第三道次时第二相数量和占比最低,再结晶程度高,该道次下的镁合金的抗拉强度为320MPa、延伸率为14.7%,较前一道次提升15%。对比等温温轧,电塑性效应对轧制过程中的动态再结晶有极大的促进作用,同时影响着第二相的析出和固溶,对镁合金强度和塑性有正向作用。 其次,为探究电塑轧制时电参数和轧制参数对第二相的影响,通过电处理镁合金第二相演变试验,发现随电处理时间增加,第二相会逐渐析出这个过程伴随着静态再结晶和晶粒长大。通过不同电流密度和轧制力电轧试验,在相同的电流密度下,较小的轧制力会使动态再结晶晶粒过度长大,较大的轧制力会因电脉冲提供的能量太低而不能在轧制过程中发生动态再结晶。 最后,通过研究电塑性效应对第二相演变机制和电参数与轧制参数的设定,结合理论分析设计出一套镁箔异步无火电轧工艺。以较少的轧制道次,无中间道次退火的情况下,轧制出质量高强度好的镁箔,产品0.099mm厚、10m长的镁箔卷带,新的轧制工艺比传统轧制工艺效率非常大。 本文对镁合金电轧制过程中,电塑性效应对镁合金微观组织和第二相的影响效果进行了多角度的研究分析,得出第二相演变机制,探究出的镁箔异步无火电轧制工艺,能降低镁箔生产成本,符合绿色环保理念。