镁合金表面沉积Al₂O₃陶瓷涂层的方法

专利名称：镁合金表面沉积Al₂O₃陶瓷涂层的方法
技术领域：
本发明属于镁合金表面处理技术领域，具体涉及一种以镁合金为阴极，通过液相 阴极等离子体技术在其表面制备Al2O3陶瓷涂层的方法。
背景技术：
近年来，镁及其合金作为一种新型的医用金属植入材料，引起越来越广泛的关注。 镁元素天然无毒，是人体新陈代谢的重要元素，并且存在于骨组织中，镁合金与人骨的力学 性能相近并且在人体环境中可以降解，有望发展为可降解金属植入材料。但是镁合金的耐 腐蚀性较差，难以在服役期内满足必要的力学与形态学要求，使其应用受到限制。氧化铝陶瓷属于惰性生物陶瓷，它具有优良的生物相容性和抗腐蚀性，能在体液 环境中长期稳定存在对骨组织生长无抑制作用，研究结果也表明成骨细胞与氧化铝生物陶 瓷间具有良好的生物相容性。目前应用广泛的微弧氧化技术将镁合金作为阳极，通过微弧放电在镁合金表面原 位生成一层该金属的氧化物陶瓷涂层，涂层组成受金属基材的限制，难以根据应用需要制 备组成可控、成分单一的氧化物陶瓷涂层，使该技术的应用受到了限制。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述微弧氧化技术中所获得的涂层受金属 基材限制的缺点，提供一种以镁合金为阴极，在其表面沉积组成单一的Al2O3陶瓷涂层的方 法。解决上述问题所采用的技术方案由下述步骤组成1、电极前处理将镁合金片依次用800目、1000目和2000目的砂纸打磨至表面光亮，用丙酮超声 清洗5分钟；将石墨用2000目的砂纸打磨光滑，用去离子水超声清洗5分钟。2、配制电解液以去离子水与无水乙醇的体积比为1 1 4的混合溶液为溶剂，配制物质的量 浓度为0. 3mol/L的Al (NO3)3 · 9H20混合溶液作为电解液。3、等离子体微弧放电处理以步骤1中前处理的镁合金片作为阴极、石墨作为阳极，浸入步骤2中配制的电解 液中，采用电压为300 500V、频率为100 1500Hz、占空比为10% 40%、阴阳间距为 3 6cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体微弧放电处理，等离子体微弧放电处理时 间为30 90分钟，镁合金表面生成Al2O3陶瓷涂层。本发明的配制电解液步骤2中，最佳选择以去离子水与无水乙醇的体积比为1 3 的混合溶液为溶剂，配制物质的量浓度为0. 3mol/L的Al (NO3) 3 ·9Η20混合溶液作为电解液。本发明的等离子体微弧放电处理步骤3中，选择以步骤1中前处理的镁合金片 作为阴极、石墨作为阳极，浸入步骤2中配制的电解液中，最佳采用电压为400V、频率为
3IOOHz,占空比为30%、阴阳间距为4cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体微弧放电处 理，等离子体微弧放电处理时间最佳为60分钟。本发明克服了传统微弧氧化技术中所得涂层受金属基体限制、成分复杂、组成不 可控的缺点，提高了镁合金的耐腐蚀性。所得到的Al2O3陶瓷涂层表面粗糙多孔，厚度达到 200 μ m，与基体结合良好，其耐腐蚀性和亲水性均增强，为镁合金作为生物医用材料奠定了 基础。本发明具有工艺简单、涂层可控、无需对样品进行预制膜处理的优点。


图1是实施例1中镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层后的X-射线衍射图谱。图2是未经处理镁合金的扫描电镜照片。图3是实施例1中镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层后的扫描电镜照片。图4是图3的局部放大图。图5是实施例1中镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层后横截面的扫描电镜照片。图6是实施例1中镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层后横截面的能谱线扫描谱图。图7是实施例1中镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层前后的动电位极化曲线图。图8是未经处理镁合金表面的接触角照片。图9是实施例1中镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层后表面的接触角照片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。实施例11、电极前处理将镁合金片依次用800目、1000目和2000目的砂纸打磨至表面光亮，用丙酮超声 清洗5分钟；将石墨用2000目的砂纸打磨光滑，用去离子水超声清洗5分钟。2、配制电解液以去离子水与无水乙醇的体积比为1 3的混合溶液为溶剂，配制物质的量浓度 为0. 3mol/L的Al (NO3) 3 · 9H20混合溶液作为电解液。3、等离子体微弧放电处理以步骤1中前处理的镁合金片作为阴极、石墨作为阳极，浸入步骤2中配制的电解 液中，采用电压为400V、频率为IOOHz、占空比为30 %、阴阳间距为4cm的直流脉冲电源对镁 合金进行等离子体微弧放电处理，等离子体微弧放电处理时间为60分钟，镁合金表面生成 Al2O3陶瓷涂层。对上述镁合金表面生成的Al2O3陶瓷涂层的相结构用X-射线衍射仪进行检测，对 涂层的表面及其横截面的形貌用环境扫描电子显微镜观察，对涂层横截面的元素分布用能 谱仪检测，对涂层的耐腐蚀性采用动电位极化测试，对涂层表面的亲疏水性采用接触角测 量仪进行测试。测试结果见图1、图3 7及图9。由图1可见，镁合金表面生成的陶瓷涂层的相组成为Y-Al2O3，说明电解液直接参 与了等离子体电解反应，对涂层的相组成具有重要影响，因此，通过调整电解液的成分、浓 度等参数，可以设计和控制涂层的组成而不受金属基材的限制。
由图3和图4可见，与等离子体微弧放处理前的镁合金相比(见图2)，沉积Al2O3 陶瓷涂层的镁合金表面呈现粗糙多孔状，由许多包状凸起和位于凸起中间的孔洞组成，每 个包状凸起其自身又有许多细小的孔洞，形成一个粗糙多孔的表面，有利于细胞的黏附和 生长。由图5和图6可见，涂层厚度约为200 μ m,由致密层和疏松层组成，部分涂层嵌入 基体内部，这使涂层与基体结合良好，涂层中主要为Al、0元素，且0元素在镁基体中的含 量很小，这表明在等离子体放电过程中瞬间产生的高温高压不会促进氧原子扩散进入镁基 体，有利于保持基体的力学性能。在图7中，曲线(a)和(b)分别是镁合金和镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层后在 Hank's人工模拟体液中的动电位扫描极化曲线，其腐蚀电位(E。。 )和腐蚀电流密度(i。。 ) 如表1所示。表1处理前后镁合金的腐蚀电位及腐蚀电流
权利要求
1.一种镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层的方法，其特征在于由下述步骤组成(1)电极前处理将镁合金片依次用800目、1000目和2000目的砂纸打磨至表面光亮，用丙酮超声清洗 5分钟；将石墨用2000目的砂纸打磨光滑，用去离子水超声清洗5分钟；(2)配制电解液以去离子水与无水乙醇的体积比为1 1 4的混合溶液为溶剂，配制物质的量浓度 为0. 3mol/L的Al (NO3) 3 · 9H20混合溶液作为电解液；(3)等离子体微弧放电处理以步骤(1)中前处理的镁合金片作为阴极、石墨作为阳极，浸入步骤O)中配制的电 解液中，采用电压为300 500V、频率为100 1500Hz、占空比为10% 40%、阴阳间距为 3 6cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体微弧放电处理，等离子体微弧放电处理时 间为30 90分钟，镁合金表面生成Al2O3陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层的方法，其特征在于在配制 电解液步骤O)中，以去离子水与无水乙醇的体积比为1 3的混合溶液为溶剂，配制物质 的量浓度为0. 3mol/L的Al (NO3)3 · 9H20混合溶液作为电解液。
3.根据权利要求1所述的镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层的方法，其特征在于在等离 子体微弧放电处理步骤(3)中，直流脉冲电源的电压为400V、频率为IOOHz、占空比为30%、 阴阳间距为4cm。
4.根据权利要求1所述的镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层的方法，其特征在于在等离 子体微弧放电处理步骤(3)中，等离子体微弧放电处理时间为60分钟。
全文摘要
一种镁合金表面沉积Al2O3陶瓷涂层的方法，以镁合金作为阴极，通过微弧放电直接在其表面沉积具有生物相容性良好的Al2O3陶瓷涂层，克服了传统微弧氧化技术中所得涂层受金属基体限制、成分复杂、组成不可控的缺点，提高了镁合金的耐腐蚀性。所得到的Al2O3陶瓷涂层表面粗糙多孔，厚度达到200μm，与基体结合良好，其耐腐蚀性和亲水性均增强，为镁合金作为生物医用材料奠定了基础。本发明具有工艺简单、涂层可控、无需对样品进行预制膜处理的优点。
文档编号C25D9/12GK102115901SQ201110007088
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者潘欣, 王旭东, 陈亚芍, 魏彦林 申请人:陕西师范大学