Структурная характеристика и деградация Mg

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12572 (2023) Цитировать эту статью

95 доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Были приготовлены и исследованы на предмет их структуры и деградационных свойств отдельные тонкие пленки из сплавов Mg–Li (магний–литий) с массовой долей Li от 1,6% (м/м) до 9,5% (м/м). С увеличением содержания Li микроструктура отклоняется от гексагональной Mg–Li со строгим столбчатым ростом и преимущественной ориентацией, появляются дополнительные кубические Mg–Li и Li2CO3. Скорость коррозии измерялась в сбалансированном солевом растворе Хэнкса путем измерения потенциодинамической поляризации и потери веса для исследования биоразложения. Влияние ориентации, формирования фаз и защитного слоя приводит к увеличению коррозии с 1,6 до 5,5 % (м/м) с 0,13 ± 0,03 до 0,67 ± 0,29 мм/год при измерении методом потенциодинамической поляризации, но аналогичная скорость коррозии для 9,5 %. (м/м) и 3% (м/м) Li 0,27 ± 0,07 мм/год и 0,26 ± 0,05 мм/год.

Магний и его сплавы широко изучаются как материалы для применения в области медицины из-за их биоразлагаемости. Различные элементы, такие как, например, Ca, Zn или редкоземельные элементы (РЗЭ), включаются для улучшения механических свойств или адаптации скорости разложения для их применения, например, в качестве стентов или костных имплантатов1,2,3,4. В дополнение к преимуществу наличия имплантата, который разрушается после того, как он больше не нужен, возможные терапевтические эффекты имплантатов исследуются, например, путем загрузки стентов слоями, элюирующими лекарственные средства5, или использования процесса коррозии и изменений в окружающей среде, таких как pH. и выделение водорода непосредственно из-за его антибактериальных свойств6.

В соответствии с идеей использования самого имплантата в качестве лечения в этом исследовании будет проанализирован сплав, включающий терапевтически активный элемент литий. Литий используется при лечении расстройств настроения, в частности биполярного расстройства, а также изучено его влияние на болезни Альцгеймера и Паркинсона7,8,9,10. Сам магний оказывает также неврологическое воздействие11. Следовательно, деградация и, следовательно, непрерывное высвобождение как магния, так и дополнительных элементов, позволит проводить местное лечение в мозге. Если контролируемое и локальное высвобождение достигается за счет понимания деградации материала, побочные эффекты, которые могут возникнуть во время лечения Li12, могут быть уменьшены.

Структура Mg–Li в объемных материалах отличается от чистого Mg уменьшением расстояния в направлении c и фазовым переходом в объемноцентрированную кубическую (ОЦК) фазу (β-фазу) для более высоких фракций Li (фаза Mg–Li). схема, рис. 113). Это изменение приводит к дополнительному небазальному скольжению по призматическим плоскостям, двойникованию и повышению пластических свойств даже в ГПУ-сплавах Mg–Li. Для более высоких фракций Li добавление второй фазы может существенно изменить механические свойства. Ли и др. показали, что трещины преимущественно образуются на границах фаз, чему способствует различие в количестве скользящих систем, присутствующих в обеих фазах, и, следовательно, различие в накоплении напряжений14. Кроме того, старение второй фазы и переход от ОЦК к ГПУ-фазе даже при комнатной температуре со временем влияют на свойства14,15.

Фазовая диаграмма Mg–Li, адаптированная из13. Изображена область с долей Li от 0 до 50% (н/н) и концентрация пленок образца (массовая доля Li 1,6% (м/м), 3% (м/м), 5,5% (м/м). м) и 9,5% (м/м)) отмечены. Низкие концентрации Li приводят к богатой Mg α-фазе со структурой ГПУ, а высокие концентрации Li — к β-фазе со структурой ОЦК. В областях смешанной фазы образуются α-фаза и β-фаза.

На скорость коррозии сплавов Mg–Li влияют несколько факторов, таких как высокая активность Li, изменение микроструктуры и поверхностных пленок. Низкий электрохимический потенциал Li приводит к увеличению катодной кинетики и более значительному сдвигу pH. Нитевидная коррозия оказывается одним из основных коррозионных процессов, происходящих для сплавов Mg–Li в материалах α или α + β16,17,18. Для пленок со смешанными фазами микрогальваническая связь является основным фактором увеличения скорости коррозии с предпочтительной коррозией и питтингом на границах фаз19,20. Однако разнообразие микроструктуры и защитных слоев, образующихся в процессе коррозии, затрудняет четкое определение влияния различных факторов на скорость коррозии. Ли и др. показали, что скорость коррозии снижается при α + β > α > β18. Предполагается, что меньшая скорость коррозии ОЦК-фазы обусловлена ​​высокой плотностью и стабильностью образующегося защитного слоя. В то время как для богатой Mg фазы ожидается образование в основном пористого слоя Mg(OH)2 во время коррозии21,22, слоистые структуры поверхностных пленок, образующихся на Mg–Li, включая ОЦК-фазу, являются сложными. Сюй и др., например, проанализировали структуру естественной пленки, образующейся на воздухе, в виде пленки Li2CO3 на поверхности, пленки оксида Mg и оксида Li под ней и пленки, богатой Mg, перед объемным материалом23. Другие исследования утверждают, что пленки образуются на воздухе или во время коррозии из нескольких соединений, включая карбонаты, оксиды и гидроксиды лития и магния, часто разделенных в слоистой структуре16,24,25. Предыдущие исследования предполагали или предполагали, что образующийся Li2CO3 оказывает основное влияние на более высокую коррозионную стойкость ОЦК-фазы23,26,27. Коэффициент Пиллинга-Бедворта (PBR), который является мерой напряжения пленки и, таким образом, определяет стабильность пленки при 1 < PBR < 2, составляет > 1 для всех соотношений Mg:Li для Li2CO3. Таким образом, он мог образоваться уже при меньших массовых долях Li в ГПУ-фазе18. Ян и др. предполагают еще одно возможное влияние, такое как легирование литием и, следовательно, усиление MgO и препятствование образованию более пористого и менее защитного гидроксида магния. Поскольку критическая доля Li для формирования стабильного слоя MgO по расчетам составляет около 15–18 ат. % (4,8–5,9%(м/м)), что согласуется с образованием слоя только на Mg–Li с β или α + β28. Поэтому, если предположить формирование стабильного слоя MgO за счет легирования Li, более высокие доли Li приводят к снижению скорости коррозии за счет изменения напряжения пленки.