关键词： 微弧氧化   化学镀镍   预处理   AZ31B镁合金  

摘要： 在镁合金上制备微弧氧化陶瓷层化学镀镍复合层,既提高了镁合金的耐蚀性,并且服予了整个复合涂层导电性能,使得其在电子、电气和新能源等需要导电性的领域得到了更广泛的应用。虽然微弧氧化陶瓷层化学镀镍复合层有很多优点,但是微弧氧化陶瓷层表面几乎没有自催化能力,需要提高催化活性后再进行化学镀镍。为了替代价格昂贵对环境造成污染的传统钯活化,本文研究了三种银活化的预处理体系。具体内容如下:首先挑选了敏化-活化-还原、活化-还原、活化-烘干三种预处理工艺。并通过复合镀层性能的分析对三种预处理中活化剂的浓度和时间参数进行优化,最后分析了最优参数下的三种预处理工艺对复合膜层的镀速、粗糙度、微观形貌、耐蚀性和导电性的影响。主要结论如下: (1)通过分别对三种预处理工艺后化学镀镍的性能分析,研究得到敏化-活化-还原预处理活化剂的浓度和时间为0.6g/L和60s：活化-还原预处理活化剂的浓度和时间为8g/L和600s:活化-烘干活化剂的浓度和时间为0.5g/L和600s。 (2)在镁合金微弧氧化表面镀镍的生长过程为镍颗粒不断生长在微弧氧化的孔隙中，然后颗粒聚集合并成为较大的胞状组织对微弧氧化进行封孔,最后在微弧氧化层上形成镍沉积膜层。对于微弧氧化孔隙基层来说,经银系预处理后制备的化学镀镍层加快了化学镀镍的诱发时间以及沉积速率,沉积主要分为三个阶段:0～20min为化学镀镍的诱发阶段20～80min为化学镀镍的覆盖阶段,80～120min为化学镀镍的自生长阶段。 (3)活化-烘干预处理制备膜层镀速略低于其余两种膜层，镀液更加稳定、表面胞状组织更加细小致密,平均胞径更小。在三种预处理中制备的膜层表面粗糙度最小。通过对极化曲线和盐雾试验结果分析可知,活化-烘干预处理对膜层的耐腐蚀性能提升更加明显。对极化曲线分析得知，经活化-烘干预处理后制备膜层的腐蚀电压最高，中性盐雾试验中经活化-烘干预处理后制备的膜层耐盐雾时间更长,72h仍未出现腐蚀点位。

关键词： 镁合金   原位转化膜   封闭处理   微区电化学   耐磨性   耐蚀性  

摘要： 随着工程结构材料向轻质化发展,镁合金由于其密度小、比强度高、散热性能好等优势有着非常广泛的应用前景。然而,镁合金存在化学活泼性高、硬度低等缺点,极大地限制了其工业应用。本文通过原位化学转化处理在镁合金表面制备了耐蚀耐磨膜层,利用失重法和正交试验确定了最佳转化工艺。同时,采用封孔处理,构建了有机-无机复合膜层体系,并通过添加缓蚀剂进一步提高了其耐蚀性。在此基础上,采用形貌表征与结构分析的方法,研究了膜层表面结构,揭示了成膜机理。同时,采用电化学技术,从宏观和微观两方面研究了复合膜层的失效机制。最后,采用纳米压痕技术和摩擦磨损试验等研究了膜层的力学性能,为镁合金的工业应用提供技术支撑。主要结论如下: （1）以磷酸二氢锰为成膜的主盐,在镁合金表面制备了耐蚀耐磨的膜层,其膜层平均厚度在12.7μm,主要为Mn O2和Mn HPO4·3H2O组成。但是,膜层表面存在较多的裂纹。基于自腐蚀电位随着时间的变化关系,可将化学转化膜的生长过程分为膜层诱导阶段、快速生长阶段和稳定阶段。 （2）采用硅烷封闭技术,在镁合金表面构建了有机-无机复合膜层,显著地提高了化学转化膜的耐蚀性,其接触角由24.52°提高至66.00°,电荷转移电阻由5.80×10～3Ω·cm2增加至4.51×10～4Ω·cm2。 （3）通过膜电极的极化行为,结合形貌表征,研究了电化学阻抗谱测试过程中镁合金电极体系的非稳定性来源。结果表明,在浸泡初期,镁合金电极体系的非稳定性来源于腐蚀产物的吸脱附过程,随着腐蚀产物对孔隙的填补,体系稳定性有所增加。然而,在浸泡后期基体出现点蚀,再次造成了镁合金电极体系的非稳定性。 （4）采用添加缓蚀剂的方法,可以进一步地提高复合膜层的耐蚀性,与镁合金基材相比,添加缓蚀剂的有机-无机复合膜层的自腐蚀电位正向移动108 m V,腐蚀电流密度降低了3个数量级。电化学阻抗谱表明,试样在0.5 wt.%的Na Cl溶液中浸泡120 h后,其表面膜层完全失效,出现点蚀,并且由微区电化学测试得到了验证,蚀坑不断向纵深方向和水平方向同时发展。 （5）利用纳米压痕技术,研究了镁合金基体、化学转化膜和复合膜层的力学性能,其硬度分别为1.70 GPa,6.18 GPa和0.89 GPa。AFM结果显示,复合膜层表面粗糙度较低,为7.53 nm。同时,摩擦磨损试验结果表明,复合膜层具有最小的磨损体积,仅有0.05 mm3,与镁合金基体相比降低5倍,说明复合膜层具有良好的耐磨性。

关键词： 超声空化   微磨粒   Ti-Ta合金   微纳织构   生物相容性  

摘要： 微观表面形貌对植入体的生物相容性具有重要影响。微纳织构表面可以表现出更加优异的生物相容性,这为植入体的发展提供了新的方向。随着国内外人口老龄化的加剧,国内外对植入体的需求日益增长,Ti-Ta合金作为一种优质的人体骨骼植入体材料,已在临床医学领域逐步得到应用。然而,Ti-Ta合金植入体与周围成骨细胞的结合仍然是一个亟待解决的问题。因此,研究者们正致力于Ti-Ta合金植入体表面改性,改善其生物相容性,更好地服务于广大患者。超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金表面,形成微纳织构,有利于与周围成骨细胞的结合,从而提高Ti-Ta合金植入体的生物相容性,但是对于Ti-Ta合金表面微纳织构的研究开发和生物相容性验证始终缺乏完备的综合理论和试验研究。为探究超声空化微磨粒协同加工Ti-Ta合金微纳织构表面的生物相容性,本文以空泡动力学为基础,构建了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金的速度-压强模型、冲击载荷模型等理论模型,进而模拟分析了超声场和空化泡溃灭无量纲量（R/R0）的影响,通过试验加工获得了微纳织构表面Ti-Ta合金,并利用细胞培养试验评估了其生物相容性优劣,最终,综合形成了“理论+模型+仿真+试验+验证”的整体论文框架,全面探讨了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金微纳织构表面的生物相容性。开展的主要研究内容如下: （1）研究了超声空化微磨粒协同作用机理。从超声振动加工入手,研究超声振动加工系统设备,分析超声振动加工原理,对比了多种空泡动力学模型及机理,进而从理论上阐明了超声空化效应与微磨粒协同作用原理。此外,以空化泡动力学为基础,建立了冲击波、微射流和微磨粒统一受空化泡溃灭无量纲量（R/R0）影响的连续控制方程,将三者进行一体化研究;进而建立超声空化的速度-压强模型,超声空化诱导微磨粒的粒径-速度-压强模型;最后建立超声空化效应和微磨粒在Ti-Ta合金表面的冲击载荷模型。综合构建了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金全过程数值理论模型,为超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金提供了数值理论基础。 （2）探讨了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金全过程数值模型的参数影响。通过控制变量法分析超声场频率、声压变化对空化泡溃灭无量纲量（R/R0）的影响,得到最大空化泡溃灭无量纲量（R/R0）,并利用Matlab软件仿真分析空化泡溃灭无量纲量（R/R0）对冲击波、微射流速度-压强的影响规律,进而研究超声空化能量、微磨粒粒径对微磨粒速度-压强的影响。结果表明,冲击波、微射流速度-压强受空化泡溃灭无量纲量（R/R0）的正向影响,无量纲量越大,其速度越快,压力越高;微磨粒速度-压强同样受冲击波、微射流的正向影响;在10-30μm范围内,微磨粒的粒径越小,速度和压强越大。这些为后续的试验研究提供了微磨粒参数选择的参考,有助于降低试验过程中的试错成本。 （3）反演分析了超声空化和超声空化诱导的微磨粒冲击对Ti-Ta合金表面造成的冲击载荷和压强,验证了超声空化和微磨粒压强模型的正确性。以试验获取的超声空化和微磨粒侵蚀凹坑参数为基础,反演分析超声空化和微磨粒在Ti-Ta合金表面的冲击载荷,进而对比超声空化和微磨粒压强的反演及模拟结果,以模拟和试验相结合的反演对比分析得到超声空化压强误差率为1.751%,微磨粒压强误差率为8.769%,证实了超声空化和微磨粒整体数学模型的正确性。另外,拟合方程的建立,为超声空化和微磨粒在Ti-Ta合金表面的冲击载荷计算提供了新的经验模型。 （4）试验研究了超声空化和不同粒径、不同质量分数微磨粒冲击Ti-Ta合金的形貌特点。试验结果显示,超声空化冲击Ti-Ta合金的侵蚀凹坑呈黑色,导致了表面材料去除和剥落,形状轮廓呈带有毛刺的不规则形状;而球形光滑微磨粒冲击Ti-Ta合金的侵蚀凹坑则保持了原有表面颜色,未造成材料去除和剥落,整体形状呈碗状。对比得到在表面形貌方面,Ti-Ta合金表面的超声空化侵蚀凹坑增加了颗粒脱离进入血液的风险,故超声空化冲击Ti-Ta合金的生物相容性不如微磨粒冲击Ti-Ta合金的生物相容性。通过表征结果发现,不同粒径的球形光滑微磨粒冲击Ti-Ta合金,主要影响侵蚀凹坑的直径和深度,粒径越大,侵蚀凹坑直径和深度越大;不同质量分数的球形光滑微磨粒冲击Ti-Ta合金,主要影响侵蚀凹坑的数量。此外,在微磨粒粒径方面,对比相应文献,发现10μm微磨粒侵蚀Ti-Ta合金得到的粗糙度、表面形貌、侵蚀凹坑参数等,更利于Ti-Ta合金表面微纳织构的生物相容性,但合适的质量分数无法通过冲击试验确定。 （5）设计并进行了细胞培养试验,验证了Ti-Ta合金微纳表面的细胞相容性,并优化了加工过程中微磨粒粒径和质量分数的选择。首先,在经过不同粒径微磨粒加工过的Ti-Ta合金表面进行细胞培养试验,通过表面细胞染色后的宏观变化以及

关键词： 镁合金   激光表面改性   仿生   润湿性   细胞粘附  

摘要： 对镁合金表面进行激光加工改性，通过观察羊肋骨表面形貌，确定激光刻蚀形貌为沟槽。通过接触角测试，探究镁合金表面不同形貌的润湿性。通过细胞粘附试验，探究不同形貌的镁合金表面对细胞粘附、生长、迁移的影响。结果表明，田形形貌润湿角比沟槽形貌小，田形形貌的镁合金表面有更好的亲水性；与光滑表面相比，田形表面细胞附着性好，凹陷及凸起处均铺满细胞，这说明经过激光加工处理获得的显微图案有利于生物相容性的提高。