关键词： 交互式交替挤压   镁合金   织构   再结晶行为   力学性能  

摘要： 轻量化理念随着碳中和目标的持续推进而深入人心,镁合金是实现轻量化目标的重要材料,其在降低重量的同时兼具较为优越的机械性能、切削性能以及阻尼性能。但密排六方结构的镁合金,由于其滑移系数量较少,因此塑性较差。传统挤压工艺虽可使坯料获得最大限度的变形,但仍存在组织不均匀、成品率较低等问题。交替挤压技术巧妙地将冲头设计为分体式结构,降低成形过程中的实际挤压比,从而降低了挤压载荷。此外还缩减了传统挤压中存在的金属流动死区,提升了材料利用率。本文以AZ31镁合金为载体研究交替挤压再结晶机制与织构演变规律。采用金相显微手段以及室温拉伸实验研究交互式交替挤压制品晶粒尺寸与镁合金强韧性之间的关系。针对镁合金在挤压过程中微观组织演变规律及晶粒细化行为采用了扫描电子显微镜与电子背散射衍射技术(EBSD)相结合进行了详尽的分析。主要研究内容和结果如下:针对交互式交替挤压过程中的微观组织演变进行了研究。在挤压比为15.68时,晶粒细化较为明显。同时,首次发现在交互式交替挤压过程中随着挤压比逐渐增大,晶粒反而出现异常粗化。基于此,针对挤压比与组织演变进行了系统的分析。在交替挤压的过程中,凸模的压下量是影响镁合金组织与性能的重要因素,平均晶粒尺寸与压下量呈反比关系,在连续动态再结晶(CDRX)与非连续动态再结晶(DDRX)的综合作用下,晶粒均受到不同程度的细化,尤以最大压下量下镁合金细化程度最高。在上述基础上还探究了预墩变形对交互式交替挤压镁合金的影响,预变形可降低原始坯料织构强度,细化晶粒并优化二次加工性能。经预墩变形后,部分晶粒基面向ED方向倾斜,形成了与等通道转角挤压中类似的典型剪切织构。基于此,镁合金的塑性突破了传统加工方式的禁锢,达到理想值。

关键词： AZ31镁合金   绝热剪切   微观变形机制   数值模拟  

摘要： 镁合金由于低密度、高比强度及比刚度等优势,被广泛应用于航天航空、交通运输和电子产品等行业。在某些应用领域,由于镁合金部件不可避免地会承受高速冲击载荷的作用,从而使镁合金产生绝热剪切而失效。因此,研究镁合金在高速冲击载荷下的绝热剪切行为及其微观变形机制,将为镁合金材料的选用及其构件设计提供重要的理论依据。镁合金的微观变形机制与变形温度密切相关,并且镁合金在不同变形温度下的绝热剪切敏感性不同。但是,在冲击载荷下,温度对镁合金绝热剪切变形机制和绝热剪切敏感性的影响尚不明确。本文采用AZ31镁合金帽状试样,利用霍普金森压杆系统对AZ31镁合金帽状试样进行温度为室温、100℃、200℃、300℃及400℃下的高速冲击实验,并利用光学金相显微镜(OM)对变形后的试样进行微观组织观察。此外,采用ANSYS模拟软件对AZ31镁合金在不同变形温度下的绝热剪切变形行为进行数值模拟。研究分析了温度对AZ31镁合金绝热剪切变形行为和温度对AZ31镁合金绝热剪切敏感性的影响。结果表明,AZ31镁合金在室温、100℃及200℃高速冲击的应力-应变曲线呈“S”型,此时基面滑移和孪生为主导变形机制。在200℃～400℃温度区间冲击时,应力-应变曲线呈“C”型,这是因为温度的升高使多系滑移更好的参与到协调变形并且这也是应变硬化效应,应变速率强化效应和热软化效应共同协调变形的综合表现。对AZ31镁合金帽状试样不同温度高速冲击后的微观组织观察发现,室温和100℃时未形成绝热剪切带,温度超过200℃时形成了绝热剪切带。温度越高,剪切带的发展趋势越明显,剪切带轮廓越清晰。AZ31镁合金不同温度下的绝热剪切敏感性由高到低分别为400℃,300℃,200℃。在目前的研究中,在相同应变速率下,随着变形温度的升高主要的微观组织由剪切带和孪晶及动态再结晶晶粒组成。剪切带内部主要由变形孪晶和动态再结晶晶粒构成,400℃剪切带内部几乎没有孪晶且动态再结晶晶粒有所长大。此外,数值模拟结果显示应力,应变高度集中在剪切区域,微裂纹优先在帽状试样上下拐角处形核并随变形继续沿剪切方向扩展。随温度升高,AZ31镁合金形成绝热剪切带的时间缩短,形成宏观裂纹发生断裂失效的时间提前。

关键词： 镁合金   连续挤压   数值模拟   微观组织   织构演化  

摘要： 镁合金具有重量轻、比强度高、吸振能力高、铸造性能良好、铸模生产率高、切削性好、抗电磁干扰、高散热性以及可循环再利用等诸多优点,已广泛应用于交通运输、电子工业及其他领域。然而,由于镁合金具有HCP结构,室温下变形困难,变形镁合金的应用依然受到制约。利用大塑性变形技术细化镁合金晶粒可以制备高性能镁合金材料,从而进一步扩大镁合金的应用。 连续挤压技术加工镁合金不仅可以引入很大的塑性变形,而且工序简单、能够做到连续生产,有利于长尺寸镁合金板带及型材的生产。虽然目前已有学者进行了连续挤压镁合金的研究,但由于连续挤压条件(温度、速度、产品宽厚比)具有多样性,不同加工工艺导致不同的微观组织分布,获得的连续挤压镁合金组织有较大差异。此外,镁合金变形及其织构演变机理极为复杂,目前仍缺少连续挤压过程中的微观织构的分析。因而有必要进行连续挤压过程的微观组织模拟,通过预知微观组织来调整工艺,获得连续挤压工艺对镁合金微观组织的影响规律,并揭示AZ31镁合金连续挤压过程中的织构演变规律,以调控镁合金板带材的性能。 本文利用DEFORM有限元软件结合经典动态再结晶模型完成了AZ31镁合金连续挤压扩展成形的微观组织模拟,分析了挤压轮转速、坯料初始温度及产品宽厚比对微观组织的影响,进而采用DEFORM二次开发的方法以揭示连续挤压过程中AZ31镁合金的组织演变规律。结果表明在AZ31镁合金连续挤压过程中,孔型轧制区内坯料出现部分动态再结晶,直角转弯区内坯料达到完全动态再结晶且平均晶粒尺寸达到1-2μm,直角变形后坯料的晶粒尺寸主要受到Zener-Hollomon参数(Z参数)降低影响而逐渐长大。在多种工艺条件中,坯料初始温度对产品晶粒尺寸影响较小,挤压轮转速对产品晶粒尺寸影响较大,产品的平均晶粒尺寸随挤压轮转速的提高而增大,大宽厚比产品的晶粒分布更为均匀。 通过连续挤压实验获得了AZ31镁合金连续挤压过程中的试样,对加热后的原始棒料、孔型轧制区、镦粗区、直角转弯区、扩展腔及产品试验进行了金相及EBSD分析。原始棒料在孔型轧制区内出现大量变形孪晶,直角转弯后的实验结果与有限元预测的晶粒尺寸相近,随Z参数的降低晶粒尺寸逐渐长大,表明数值模拟能够较为准确地预测微观组织及其演化过程。 EBSD织构分析结果表明经孔型轧制区压实轮压下后原始挤压织构转化为轧制织构,镦粗区内轧制织构的最大极密度下降,直角变形区内晶粒取向发生大幅偏转,{1011}<11 2 3>滑移系的施密特因子较大,扩展变形区内该滑移系的施密特因子进一步提高至0.45,定径处因非基面滑移大量开动,在产品中大部分晶粒{0002}基面向法向(ND)旋转30°-60°。

关键词： ZM5镁合金   电弧增材制造   显微组织与性能   热处理  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)作为一种先进的制造技术,以金属丝材为原材,以电弧为热源进行加工,具有加工自由度高、成本低、加工速度快等优点,非常适合镁合金的加工制造。本文采用Φ 1.2mm的ZM5镁合金丝材为原料,分别在送丝速度为7～13 m/min、焊接速度为5～11 mm/s条件下,对比研究送丝速度、焊接速度对WAAM-ZM5镁合金成形性、组织与力学性能及耐蚀性能的影响规律,并优化最佳工艺;结合热处理工艺参数调整,探索WAAM-ZM5镁合金力学性能提高的途径。本文主要结论如下:(1)WAAM-ZM5镁合金主要由β-Mg17Al12相和α-Mg基体组成,其中β相以不连续网状沿晶界分布,组织均为等轴晶。在单道壁打印过程中,随着打印高度的增加,热传导效应减弱,热对流、热辐射效应增强,冷却速率降低,熔池内积聚更多的热量,使得自单道壁底层道顶层,组织呈长大趋势,β相析出减少,显微硬度逐步降低。由于已沉积层表面在电弧热的作用下局部积累较多的热量,层间组织呈现粗化倾向,导致单道壁自下而上硬度出现规律性波动,硬度峰值位于层内细晶区,硬度谷值位于层间粗晶区。(2)随送丝速度增加,单道壁晶粒尺寸、耐蚀性逐渐增大,表面质量和拉伸性能先提升后降低,在9 m/min时,单道壁表面平整光滑,形成致密的鱼鳞纹,拉伸性能最佳;热输入逐步增大时,熔池内积聚热量增加,晶粒尺寸呈长大趋势,已沉积层通过短暂的原位热处理,有利于促进Al元素的均匀化分布,有效遏制了β-Mg17Al12相连成网状分布的可能。(3)焊接速度增大,β-Mg17Al12相析出增多。当焊接速度为5～7mm/s时,组织细小,当焊接速度为7～11 mm/s时,热输入基本达到热平衡,晶粒尺寸保持不变;单道壁尺寸逐渐减小,表面质量、耐蚀性、力学性能均呈现先增大后减小的趋势。当焊接速度为7 mm/s、送丝速度为9m/min时,WAAM-ZM5镁合金各项数据指标表现最佳,耐蚀性最优,其水平、竖直方向抗拉强度分别为287MPa和281 MPa,屈服强度分别为135 MPa和129 MPa,伸长率分别为16.0%和14.5%。(4)经过400℃×0.25 h+180℃×2 h热处理后,不仅消除了WAAM增材过程中的残余应力,且WAAM-ZM5镁合金基体组织未出现明显粗化,β-Mg17Al12由不连续的网状分布转变为点状弥散分布,降低了晶界处对位错运动的阻碍作用。其强化机制主要为Orowan强化,合金的拉伸性能得到显著提高,水平方向抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为304 MPa、138 MPa和20.0%,竖直方向抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为297 MPa、130 MPa 和 19.5%。400℃×0.25 h+180℃×4 h 处理后,β-Mg17Al12 出现偏聚,呈块状分布在α-Mg基体中,拉伸性能提升效果有所降低。

关键词： Mg-Al-Sn合金   Ca含量   衬板叠轧   累积叠轧   片层异构  

摘要： 在碳达峰和碳中和的战略发展大环境下,低合金含量的镁合金凭借自身独特的物化属性在轻量化制造领域一直被期望实现大规模应用。但是,如何实现金属材料的强塑性同时提高使其能够更好的适应实际生产需求中不同的复杂环境成为了镁合金向前发展的必经之路。目前,科研人员通过合金化的方法已经开发出Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn等多种具有良好综合力学性能的镁合金体系。除了在成分上实现优化,从结构设计角度出发能够可控制备的异构金属材料近年来也表现出巨大的科研前景。异构材料往往是利用异种材料自身的性能差异,通过复合手段实现材料的性能提升。相对于钢铁、铝合金、钛合金等具有优良变形能力的金属,室温成形能力较差的镁合金在异构材料的开发中并不占据优势。此外,常规的异构金属材料通常用后分离回收困难,导致使用成本大幅增加。因此,以镁合金为基础开发一种片层异构且具有良好综合力学性能的复合板材仍然是一个不小的挑战。针对上述问题,本文以Mg-3.0Al-0.5Sn(AT31,wt.%)系合金为研究对象,通过Ca的合金化实现镁合金的晶粒细化,提高AT系镁合金的第二相析出,并开发出一种具有较高综合力学性能的Mg-3.0Al-0.5Sn-0.5Ca(ATX3105,wt.%)镁合金;以AT31和ATX3105镁合金为原料,分别以衬板叠轧和累积叠轧两种工艺制备了三明治结构和粗细晶交替片层结构复合板材。本文从成分筛选、宏观结构设计以及加工工艺参数优化的角度研究其对同质片层异构镁合金复合板材的微观组织及力学性能的影响规律,为实现镁合金强塑性同时提高提供了一种新的解决方案。本文主要研究结论如下:(1)Mg-3.0Al-0.5Sn-x Ca(x=0.00,0.25,0.50,0.75 wt.%)合金中,随着Ca含量的增加,合金的强度与塑性表现出先增加后降低的变化趋势,其中Mg-3.0Al-0.5Sn-0.5Ca(wt.%)镁合金室温下表现出最佳的综合力学性能,其屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和断裂延伸率(EL)依次为～202.8 MPa、～267.8MPa和～22.8%。强度的提升主要来源于晶界强化和析出强化效果的增加,而塑性的提高则与镁合金的织构弱化促进非基底滑移系的开启有关。(2)衬板叠轧(HPR)过程中,板材的强度与ATX3105合金层与AT31合金层的层厚比值呈正相关,而板材的塑性则与其呈负相关;变温轧制过程中,板材的强度随轧制温度升高而降低,板材的塑性随着轧制温度的升高而增加。300℃下的轧制态HPR(ATX3105与AT31合金层厚比2.5:1)板材表现出最佳的综合力学性能,其YS、UTS和EL依次为～258.6 MPa、～322.9 MPa、～9.8%;复合板材中的ATX3105合金层相对于AT31合金层具有一定的退火滞后性,因此在275℃的退火温度下能够更好的保持层间晶粒尺寸差异,退火10 min后HPR板材获得最佳的力学性能,其YS、UTS和EL分别为～210.8 MPa、～279.2MPa、～16.9%。(3)累积叠轧(ARB)过程中,随着轧制道次的增加,合金的强度呈现单调递增的趋势。ARB(5道次循环轧制)板材具有最高的YS(～205.4 MPa)和UTS(～274.9 MPa)。而复合板材的塑性则随着轧制道次的增加呈现先降低后增加的趋势,4道次轧制下的ARB(4道次循环轧制)板材表现出最高的EL(～17.4%)。ARB板材的强度提升一方面来自于晶粒细化带来的细晶层强度上升,另一方面则与板材内部的粗细晶交替层数的增加带来的结构强化有关。

关键词： 生物医用金属   可降解镁合金   降解行为   表面改性   耐蚀涂层  

摘要： 医用镁合金具有良好的生物相容性、优异的综合力学性能以及独特的可降解性，是人体非重要承力部位的理想植入材料，但是过快的降解限制了其临床应用。探索更加适合镁合金的植入部位并通过表面改性技术使其降解速率与组织修复过程达到同步是突破临床应用瓶颈的关键。近年来，国内外研究人员研究了体内不同植入环境中镁合金的腐蚀降解机理，利用适当的表面改性技术从涂层成分设计与组织优化角度对医用镁合金的降解行为进行了调控。本文分析了腐蚀介质种类、成分、浓度、流动状态等生理环境对医用镁合金降解行为的影响机制，总结了医用镁合金在骨科、心血管科、消化内科、泌尿外科等植入环境中降解行为的差异，综述了金属涂层、无机非金属涂层、有机高分子涂层、生物功能涂层、复合涂层调控医用镁合金降解行为的研究进展，展望了基于人体特定植入部位开发生物功能性涂层的研究思路，为促进镁合金植入器械的临床应用提供参考。

关键词： 镁合金   镁基复合材料   滑动摩擦处理   时效处理   梯度结构   力学性能  

摘要： 作为最具潜力的绿色轻质金属材料之一，镁合金密度低，比强度高，在航空航天、交通运输、国防军工等领域拥有广阔的应用前景。近年来，Mg-RE-Zn系镁合金因其优异的机械性能而备受关注，但是对于实际应用而言，它仍存在强度较低，塑性较差的问题。为进一步提升该合金的综合力学性能，本文利用滑动摩擦处理(SFT)在Mg-9Gd-4Y-1.2Zn-1Mn(VW94)合金和3.5wt.%Ti/Mg-9Gd-4Y-1.2Zn-1 Mn(3.5wt.%Ti/VW94)复合材料表面构筑梯度结构，系统研究SFT对材料微观组织和力学性能的影响，阐明晶粒细化及强化机制;揭示SFT对合金及复合材料影响的异同;探究后续时效处理过程中，梯度结构合金及复合材料的组织演变规律及硬化机制。本课题的研究将有望促进高性能镁合金及复合材料的进一步发展。主要研究结果如下：　　VW94合金经滑动摩擦处理后表层晶粒尺寸细化至135 nm，并获得厚度约为500μm的梯度变形层。SFT过程中，大量位错被激活导致小角度晶界形成，应变的增加促使小角度晶界向大角度晶界发生转变，在剪切带及层错的协同作用下材料晶粒发生明显细化。与VW94合金相比，3.5wt.%Ti/VW94复合材料SFT过程中还存在孪晶的协调变形，孪晶界对粗晶有明显的分割作用，能促进晶粒的细化。经过滑动摩擦处理后3.5wt.%Ti/VW94复合材料表层晶粒尺寸细化至87 nm，并获得厚度约400μm的梯度变形层。　　经过滑动摩擦处理后，VW94合金的抗拉强度由307 MPa提升至334 MPa，屈服强度由220 MPa提升至253 MPa，断后延伸率为15.4%，与原始态(15.8%)相当;3.5wt.%Ti/VW94复合材料的抗拉强度由329 MPa提升至383 MPa，屈服强度由254 MPa提升至309 MPa，断后延伸率仅从10.6%下降至8.7%。复合材料的强化效果优于合金，这是因为应变作用下Ti颗粒的存在导致应变失配场的形成，阻碍位错迁移的同时为孪晶成核提供能量，诱导位错及孪晶界强化。　　后续时效处理中，梯度结构3.5wt.%Ti/VW94复合材料表现出比梯度结构VW94合金更加优异的硬化效果，在200℃下时效4小时后达到硬度峰值，其中纳米晶层硬度值从127.8 HV提升到159.8 HV，提升了32 HV。优异的时效硬化效果源自于热处理过程中析出大量β′相所产生的第二相强化。SFT变形引入的高密度缺陷能促进β′相的形核并加快析出速度。

关键词： 荧光探针   细胞成像   含氮杂环   光学性能   生物相容性  

摘要： 荧光探针凭借着便捷高效、选择性好、灵敏度高等突出优点，在生物医学等领域得到了广泛的应用。而经典荧光团凭借易于设计合成等优点，在构建荧光探针中会被优先考虑。基于上述策略构建的荧光探针，在后续应用中发现它们可能存在着光学性能和生物相容性难以兼顾的问题。为了解决此问题，研究者们开始将目光转移到氮氧杂环结构上来:一方面，氮氧杂环上的杂原子具有孤对电子，将其引入到共轭体系中，会形成不同的共轭类型，有望改善原本的光学性能;另一方面，氮氧类杂环结构广泛存在于生物体内和一些天然药物分子当中，表现出了良好的生物活性。因此这种在荧光探针结构中引入氮氧杂环的设计理念，对改善荧光探针的光学性能和生物相容性等方面具有重要的研究意义。　　本文在课题组前期研究工作的基础上，采用几种不同类型的含氮杂环并将它们引入到荧光探针的构建当中，详细研究这些新型荧光探针的光学性能以及潜在的生物应用。具体内容如下:　　1、以香豆素类衍生物和芳香胺作为反应物，无水三氯化铝作为催化剂通过一步环化反应合成了具有色烯并喹啉杂环骨架的荧光探针3a-d。这些探针具有较大的斯托克斯位移(168-231 nm),最大吸收和发射波长分别位于358-396 nm和420-603 nm。此外，具有喹啉氮杂环结构的探针3a-d,它们的细胞毒性也比较低;而且探针3a-c在细胞成像中还可以靶向HeLa细胞中的脂滴。　　2、采用了喹唑啉酮类杂环，将其引入到具有不同数量共轭双键的醛中，得到了荧光探针8a-c和9b,它们均具有良好的光学性能，其中最大吸收和发射波长分别位于420-540 nm和500-600 nm,并且光稳定性良好。另外探针8c对粘度表现出了特异性的响应，在甘油高粘度环境中的荧光强度，与水中相比增强了约37.8倍。细胞实验表明，探针8a-b能够选择性靶向线粒体，探针8c和9b能够靶向溶酶体。此外对粘度呈现特异性响应的探针8c可以对细胞中溶酶体粘度变化进行荧光成像。　　3、受前一个工作中探针8c的启发，选用具有D-π-A结构的吲哚羧酸盐类杂环作为荧光母体，分别与四种胺类化合物进行缩合反应得到了探针10a-d。它们在甘油中的发射峰位于596-611 nm,并对粘度表现出了特异性的响应。它们在甘油中的荧光强度比在磷酸盐缓冲溶液中增强约35-184倍。细胞成像实验表明，探针10a-c分别具有靶向HeLa细胞中溶酶体、内质网和线粒体细胞器的能力;并加入相应的离子载体诱导对应细胞器粘度升高后，探针10a-c的荧光强度都有增强趋势，这也表明探针10a-c具有监测细胞器微环境中粘度变化的能力。

关键词： 高塑Mg-Gd基可溶镁合金   腐蚀速率   溶解机理   微电偶腐蚀   铸态与变形态  

摘要： 镁合金由于其耐蚀性能差,作为一种可降解材料在石油和天然气开采领域的研发和应用逐渐兴起。例如:在非常规能源开采过程中,可溶压裂暂堵工具桥塞的应用可以极大的提高页岩气开采效率。目前市场上涌现了大量的传统镁合金,但是其降解速率很难满足实际工程应用的要求,所以,越来越多的科研工作者开始研发新型的高降解速率的镁合金。如本文研究了通过合金化方式添加稀土元素Gd制备的一种新型高塑性Mg-Gd基可溶镁合金,该可溶材料在溶解过程中表现出非常高的降解速率,其作为暂堵工具,在石油和天然气开采完成之后,不需从地下取出,直接通入KCl溶液就可将其溶解和失效,但是,目前关于该可溶材料的溶解行为及溶解机理等问题还鲜有人研究。因此,本文以铸态与变形态Mg-Gd基可溶镁合金作为研究对象,首先从微观组织和电化学特性进行研究。在此基础上,分别进行了不同温度梯度、不同Cl-浓度以及不同初始组织状态下的浸泡实验来研究该合金的腐蚀溶解行为并对溶解速率进行了预测。此外,为了更进一步对高塑Mg-Gd基可溶镁合金溶解机理的研究,通过熔炼基体相和富稀土第二相Mg5Gd,分别进行了浸泡失重实验和电化学测试;最后,通过对微观组织、溶解行为的分析研究,分别建立了温度、Cl-浓度和初始组织状态对溶解机理的影响模型。具体研究内容如下:（1）利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱测试（EDS）和X射线衍射（XRD）等测试手段,分别对铸态与变形态Mg-Gd基合金的第二相的形貌、尺寸、分布以及第二相的具体成分进行了分析研究。（2）通过SKPFM测试,研究了铸态与变形态Mg-Gd基合金的表面粗糙度和表面伏特电位,得到了铸态与变形态合金的表面粗糙度值和表面伏特电位值;通过电化学测试,分别对铸态与变形态合金的塔菲尔极化曲线、交流阻抗谱进行进行分析研究,并且通过测试结果拟合出电化学反应过程的等效电路模型。（3）分别进行Mg-Gd基合金的不同温度（25℃、50℃、75℃、100℃）、不同氯离子浓度（1%、3%、5%、7%）和不同初始组织状态（铸态和变形态）下的浸泡失重测试,并从腐蚀溶解后试样的宏观形貌、腐蚀速率、腐蚀产物等几个方面进行腐蚀溶解行为研究。最终,通过测试结果建立了不同温度和氯离子浓度与腐蚀速率之间的关系模型,并进行了实验验证分析。（4）通过EDS和XRD测试对Mg-Gd基合金第二相和基体相α-Mg进行了标定,测定其主要成分分别为Mg5Gd和α-Mg;在此基础上,熔炼第二相试样和基体α-Mg试样,分别进行了浸泡测试和电化学测试,研究了稀土元素Gd如何对Mg-Gd基合金腐蚀溶解机理产生影响,并对其高溶解速率机制基腐蚀类型进行了深入研究。（5）通过研究不同初始组织状态对铸态与变形态Mg-Gd基可溶镁合金溶解机理的影响,最终分别建立了铸态与变形态合金的溶解机理模型。

关键词： 缝合锚钉   镁合金   力学性能   降解行为   韧带-骨修复  

摘要： 缝合锚钉是使撕脱韧带/肌腱重新与骨连接的微型骨植入器件。由于镁合金具有可降解性、良好的生物相容性以及近似骨的弹性模量等优点，镁合金缝合锚钉应用潜力巨大。但目前关于镁合金缝合锚钉的体内外降解行为及其组织修复效应缺乏系统研究。因此本文设计制备了ZE21C镁合金缝合锚钉，并探究了该缝合锚钉的力学性能、降解行为以及对韧带-骨的组织修复效应。　　本文基于有限元模型，设计制备了内径为2mm,高为5.5mm的ZE21C镁合金缝合锚钉。通过有限元力学模拟、自攻力、拔出力以及断裂力实验来探究其力学性能。用ZE21C缝合锚钉重建大鼠髌韧带-胫骨近端，结合体外浸泡实验及初期体内植入实验来探究ZE21C缝合锚钉的初期降解性能。在确定ZE21C缝合锚钉满足体内植入要求后，通过DR、Micro CT及体内有限元力学模拟等分析方法来探究ZE21C镁合金缝合锚钉的体内降解行为及对周围骨组织的影响。通过膝关节功能恢复、组织学分析以及生物力学测试来探究ZE21C缝合锚钉对韧带-骨组织修复效应。在整个实验过程中，用TC4钛合金缝合锚钉作为对照组。　　力学性能及初期降解性能研究结果表明:ZE21C缝合锚钉自攻稳定，自攻力为9.16±0.42N。轴向拉力作用下锚钉断裂于锚钉孔处，断裂力为216.36±6.99N,远高于拔出力130.30±7.24N。ZE21C缝合锚钉在体外浸泡过程中表面钙磷盐逐渐堆积，降解速率为0.61±0.03mm/year。体内植入4周后，ZE21C缝合锚钉保持完整机械结构并且重建部位无再撕脱现象，制备的ZE21C缝合锚钉可适用于体内长期植入。　　体内降解行为及对周围骨组织影响研究结果表明:ZE21C缝合锚钉在植入过程中持续降解并逐渐被新骨取代，降解产生的氢气会逐渐被周围组织吸收直至消失，12周内能保持机械结构完整性。ZE21C缝合锚钉高应力集中的尾部在植入前期（0～4周）降解迅速，植入后期（4～12周）ZE21C缝合锚钉上方骨愈合加速锚钉头部降解。相较于TC4缝合锚钉，ZE21C缝合锚钉的降解产物具有骨传导性，能够促进锚钉对周围骨组织的诱导及整合，其生物活性能够促进锚钉上方骨组织愈合。在术后12周，ZE21C锚钉的断裂力衰减为26.64±4.32％,仍能对重建部位提供力学固定。　　韧带-骨组织修复研究结果表明:ZE21C缝合锚钉促进韧带-骨之间生长因子BMP-2及TGF-β1的表达，进而加快基质重构，促进韧带-骨整合以及界面处纤维软骨再生，缩短愈合周期。相较于TC4组，ZE21C组的韧带-骨生物力学性能恢复更快，在12周后生物力学强度接近正常组，并且ZE21C缝合锚钉能够在韧带-骨愈合过程中提供足够的固定强度。本研究为可降解镁合金缝合锚钉的临床应用提供了数据支撑和理论指导。