鎳鈦合金抗腐蝕性研究

論文類別:工學論文 > 材料工程學論文
論文標簽:鈦合金論文
論文作者: 楊學帥
上傳時間:2009/7/25 16:42:00

  [論文關鍵詞]鎳鈦合金 抗腐蝕性 氧化層

  [論文摘要]鎳钛合金以其良好的形狀記憶性和超彈性在醫學上具有特殊的應用价值。但由於從鎳鈦合金中释放的鎳具有細胞毒性,使提高鎳鈦合金的抗腐蝕性顯得尤為重要。本文就鎳鈦合金抗腐蝕性的研究方法、鎳鈦合金腐蝕的電解質因素、鎳鈦合金表面結構對鎳鈦合金抗腐蝕性影響的研究進展作一綜述。
  
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  自從美國海軍武器研究所首先發現鎳鈦合金的形狀记憶性以來,鎳鈦合金因良好的形狀記憶性和超彈性在醫學上發揮了巨大作用。然而,鎳鈦合金由鎳(Ni)、鈦(Ti)等原子組成,故對鎳钛合金抗腐蝕性研究十分必要。研究鎳鈦合金抗腐蝕性的方法很多,電極極化實驗又稱動電位實驗由於其快捷、高效、信息獲得量多,在研究中應用也較多。口腔環境中存在著氯離子、氟離子、不同的氧濃度、菌斑及微生物等,對鎳鈦合金的抗腐蝕性有很大影響。近年來,通過改變鎳鈦合金表面結構,獲得新的氧化層或者其他表面保護层的方法被用於改善
  鎳鈦合金的抗腐蝕性,達到了很好的效果,提高了鎳鈦合金的生物相容性。
  
  一、利用動電位實驗检測鎳鈦合金抗腐蝕性
  
  動電位實驗是使作為電極的金屬絲發生点狀或縫隙腐蝕時,腐蚀局限在金屬電極端的實驗利用它可以觀察金屬合金發生點狀或縫隙腐蝕時的表面電流和電壓變化情況。根據電壓和電流變化曲線可以推断腐蝕相關參數。有學者采用動电位實驗觀察和測量不同合金表面處理方法即機械拋光、電解法拋光、空氣中熱處理形成的草黄色氧化層、鹽浴中熱處理形成的藍色氧化層等處理后的金屬作為電極時發生點狀或縫隙腐蝕時的電壓和電流的變化情況,發現MP的鎳鈦合金活化電壓最低,按照鎳鈦合金活化电壓的高低依次為BO>CP>EP>SCO>MP,腐蝕電流密度和腐蝕速率依次為CP<SCO<EP<BO<MP。上述結果都說明機械拋光組的抗腐蝕能力最差。然而鎳元素釋放量為EP=MP<CP=BO<SCO,說明了應用腐蝕電流密度和腐蝕速率來評價鎳鈦合金抗腐蝕能力與原子吸收光譜法所測鎳元素的釋放量之间並不一致。
  樣品的抗腐蝕性也可用崩解電壓、再鈍化电壓和腐蝕電壓來表現。用崩解電壓和腐蝕電壓解釋材料的腐蝕抵抗力的標準依據有:當電压位於崩解電壓和腐蝕電壓间時,惰性金屬保持靜態。當電壓大于崩解電壓時,金屬开始遭受腐蝕,甚至有可能形成点腐蝕。當再鈍化電壓小於腐蝕电壓時,氧化層會被破壞,金屬丝將保持激活狀態並不斷形成點腐蝕。當再鈍化電壓大於腐蝕電壓時,金屬將有可能完全鈍化,如果鈍化过程是主要的,金屬丝點腐蝕的機會將很小。崩解電压和再鈍化電壓的差值與金屬的點腐蝕抵抗力有關,差值越小,金屬的抵抗力就越強。雖然應用動電位實驗來檢测鎳鈦合金絲的抗腐蝕性具有快捷、高效的特點,然而實驗結果與原子吸收光譜法所測的镍元素釋放量存在著差异,這其中的原因有待進一步探討。
  二、電解質對鎳鈦合金抗腐蝕性的影響
  
  鎳鈦合金弓絲在口腔環境中的腐蝕受到多方面的影響,存在多種腐蝕方式,然而口腔環境中的電解質對鎳鈦合金的腐蝕是基本的也是主要的腐蝕,運用体外實驗可以模仿這個過程。體外实驗研究顯示,溶液的pH值、溫度、氯離子、氟離子、氧濃度等對鎳鈦合金的抗腐蝕性具有比較大的影響,特別是氟离子能顯著影響鎳鈦合金的抗腐蝕性。學者們采用人工唾液浸泡實驗研究鎳鈦弓絲的鎳元素釋放,发現pH值是影響鎳元素釋放的重要因素,pH值越小,鎳的釋放量越大。有學者采用酸性含氟溶液的浸泡實驗研究pH值和溫度對正畸鎳鈦弓絲的腐蚀影響,發現pH值為3.5時,溶液溫度60℃組的鎳鈦弓絲的鎳元素釋放最多,弓絲表面發生了明顯的腐蝕。當溶液的pH值为6時,鎳元素的釋放量与溫度沒有明顯相關性。當溶液溫度為5℃時,弓絲表面出現较小的腐蝕現象,與pH值沒有明顯的相關性。這說明只有在合適的溫度和pH值環境條件下鎳钛合金才會發生比較明顯的腐蝕,而口腔具有合適的溫度,當菌斑黏附於合金表面耗糖產酸時又可以提供合適的pH值環境,使得鎳鈦合金在口腔中的腐蝕不容忽視。氟離子對鈦和鈦合金的保护性氧化層具有侵襲性,可以降解鈦和鈦合金表面的保護性氧化層。氟离子與TiO反應形成TiOF2,削弱並破壞了表面鈦氧化層的抗腐蝕能力,引起鈦和鈦合金表面的点狀和縫隙腐蝕。電化学研究也表明,介質中含有氟離子時钛和鈦合金的抗腐蝕性將會受到冲擊,溶液中添加氟時降低了鈦的激活電壓,將加速鈦和鈦合金的腐蝕。 轉貼于 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
  
  三、表面結構對鎳鈦合金抗腐蝕性的影響
  
  不同廠家生產的鎳鈦弓絲具有不同的抗腐蝕性,這与它們具有不同的表面結構有關。有學者研究發現,不同廠家的鎳鈦弓絲表面具有相同的成分,主要為TiO2,還有少量的NiO。雖然它們表面鈍化物的成分相同,但卻具有不同的表面結構和形態。動電位实驗表明,表面結構與鎳鈦弓絲的腐蚀電位、腐蝕速率、鈍化層電流、崩解電勢、縫隙腐蝕易感性等具有相關性。這說明表面結构在鎳鈦合金抗腐蝕性中起著重要作用。通過一些技術方法來改善鎳鈦合金的表面結構可以提高其抗腐蝕能力。
  
  四、表面處理對鎳鈦合金抗腐蝕性的影響

  鎳鈦合金表面常用處理方法有機械拋光、電解法拋光、熱處理和化學鈍化等。有學者研究發现,電解法拋光和機械拋光后合金表面粗造度相似,平均粗糙度分別為8nm和6nm,但它們的表面形態並不相同,电解法拋光的樣品表面更加均勻一致。電解法拋光后樣品表面的Ti和Ni的質量分數發生明顯變化,Ni的質量分數從11.5%降至1%,並且最表層的Ti/Ni比值從0.9升至15。這樣电解法拋光的樣品表層將含有更多的Ti。AES分析機械拋光和电解法拋光樣品的深度图像後發現,經這兩種方法處理的樣品氧化層厚度相近,均為4nm。由於電解法抛光的樣品表面含鈦量很高,含鎳量很低,所以電解法拋光的镍鈦合金應該具有更強的抗腐蝕能力。一些學者也發現,電解法拋光樣品的崩解電壓高於機械抛光樣品,而電解法拋光樣品的腐蝕電流值遠低於機械拋光樣品。這都說明電解法拋光樣品的抗腐蚀性強於機械拋光樣品。有學者通過電解法拋光、熱處理、化學鈍化進行鎳鈦合金的表面处理並分析合金的表面结構與抗腐蝕性的關系。他们發現電解法拋光、熱處理、化學鈍化這些方法都可以提高合金的抗腐蝕性,特別是電解法拋光和化學鈍化可以顯著提高抗腐蝕能力。掃描電鏡觀察發现,這些經過處理的合金可以获得更光滑的表面,並且可以去除殘缺的表面氧化層獲得更加均勻一致的氧化層。所以鎳鈦合金抗腐蝕能力的提高應該與合金表面的均勻一致的更加完整無缺的表面氧化層有關。他們同時還觀察了氧化層深度與抗腐蝕能力的關系,发現電解法拋光與化學鈍化的氧化層厚度相近,並且最薄,其次為热處理,未處理的對照組氧化层最厚,然而它們的抗腐蝕能力卻成反向關系,這說明氧化層厚度並不是抗腐蝕能力的决定因素。他們認為均勻一致的完整无缺的光滑的表面氧化層是鎳鈦合金抗腐蝕性的主要因素。所以著眼於改善合金表面結構和氧化層的方法可以提高合金的抗腐蝕能力。
  
  五、結論
  
  新的技術和方法被用來改善鎳鈦合金的抗腐蝕性,鎳元素释放將降至極低水平,鎳鈦合金的生物安全性問題也将迎刃而解。由於其良好的物理、機械性能,鎳鈦合金在医學中將有更加廣泛的應用。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
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