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镁合金腐蚀研究进展(55)—镁合金表面含铁化学转化膜的自催化降解行为:铁含量的影响 精选

已有 2448 次阅读 2020-8-11 22:40 |个人分类:科研进展|系统分类:科研笔记| 镁合金, 涂层, 可降解

【按语】数据无所谓好坏之分,不要轻易扔掉所谓“坏数据”!找到原因,也可能无心插柳,柳暗花明!这篇疫情期间修改了13稿的论文,出刊版面18页。研究内容涉及通过涂层成分结构设计,加速镁合金腐蚀,寻找可能的新应用。这一研究思路与主流提高耐蚀性相反。创新不易,反其道而行之,难获认同。两投它刊,直接被拒。转投国内高教出版社英文刊Frontiers of Materials Science (FOMS,材料科学前沿),终被同行认可。审稿人给出的评语:“为可降解镁合金实际应用开辟了一个新方向”。感觉几年来的摸索还是值得的。


 镁及镁合金由于具有低密度,高强度,高导热性和良好的生物相容性受到了广泛的关注。但是,通常情况下过快的降解特性限制了它们在很多领域的应用。研究者多关注通过各种方法(例如合金化、加工处理、表面处理)来延长镁合金的服役时间。通过表面处理获得的涂层往往会有一些缺陷,比如:裂纹、孔洞等。并且大多数的涂层为阴极型涂层,涂层破裂后会在一定程度上加速基体的腐蚀破坏。

然而,利用镁合金快速溶解的特性,或将成就其在一些特殊领域的应用。例如,天然气和石油开采时的使用的水力压裂球和牙科整形等植入材料,都需要快速溶解的镁合金。然而,镁合金的自腐蚀速率尚不能满足高速腐蚀的需求。在Mg合金中加入Fe、Ni、Cu杂质元素,形成微电偶腐蚀电池,加速其腐蚀速率是一种常见策略。能否有一种稍微温和的加速腐蚀方式或者新的途径?

因此,本文通过化学转化法在镁合金表面制备一层具有加速镁合金降解的含铁磷酸盐涂层,利用电偶腐蚀的原理,来实现镁合金的自催化降解功能。利用涂层疏松的结构,更利于溶液-涂层-基体的接触,从而实现了自催化降解的功能最大化。

选取磷酸盐和亚铁盐作为成膜物质是由于:磷酸和亚铁盐是环境友好的和生物相容的。由于磷酸盐是骨骼和牙齿的主要组成成分。铁是人体必需的微量元素,参与人体很多代谢过程,甚至同镁一样,可以作为可降解金属,已经进入临床阶段。

通过MEDUSA软件绘制的优势区分布图,来选择不同的Fe2+浓度及其对应的pH 值,探究了不同铁离子浓度对于涂层成分、结构、自催化降解效果的影响及其作用机理。

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Fig. 1 Thermo-equilibrium predominance area diagram for the Fe2+ ions calculated using the MEDUSA software package at [PO43-] = 0.1 M, [Fe2+] from 10-6 M to 10 M and pH from 0 to 12. There different formulations were indicated by I, II and III.

结果表明,Fe2+浓度高的溶液制备的铁转化膜涂层中含有更多的铁,涂层也更为疏松;使的更多的铁离子能够被还原成单质铁,从而加强了镁与铁之间的电偶对形成,加速了镁基体作为阳极的降解,最终形成自催化效应。此涂层在压裂球和镁基骨科植入材料方面具有广阔的应用前景。

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Fig. 2 SEM images for (a, b) coating I, (c, d) coating II and (e, f) coating III, (g) EDS, (h) XRD patterns and (i) FT-IR.

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Fig. 3 OCP as a function of immersion time and polarization curves in 3.5 wt.% NaCl.

 该项工作“Self-catalytic degradation of iron-bearing chemical conversion coating on magnesium alloys -Influence of Fe content”于近日在线发表在《Frontiers of Materials Science (2020). https://doi.org/10.1007/s11706-020-0512-x 

第一作者为山东科技大学博士研究生殷正正,通讯作者为山东科技大学曾荣昌教授。

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Fig. 4 Schematic representation of the formation of Fe coating.


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Fig. 5 Schematic diagram of coating accelerates degradation of AZ31 alloy.




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1 李学宽

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