离子液体阳极氧化法制备Zr基非晶合金表面纳米膜层的基础研究

Zr-based amorphous alloys have broad application prospects in the field of implant materials due to their excellent biomechanical matching properties. The purpose of the project is to solve the intrinsic biological inertness of the Zr-based amorphous alloy and the problems in the surface treatment process for the amorphous material. In this project, an ionic liquid with low oxygen source, high conductivity and stability is used as the electrolyte. The surface of Zr-based amorphous alloy is modified by low temperature anodization to form an oxide film with nanostructure to improve the biomineralization activity for the material. The project mainly studies the influence of ionic liquid system and anodizing process parameters on the microstructure of oxide film; the electrochemical oxidation and element migration mechanism of Zr-based amorphous alloy in ionic liquid; the in-situ formation process and crystallization behavior of nano-scale oxide film. It is hoped that the structural regulation mechanism of oxide film prepared by anodization in ionic liquids is obtained, and the electrochemical oxidation mechanism of Zr-based amorphous alloys in ionic liquids is also elucidated. The successful implementation of the project can enrich the basic theory of surface modification of amorphous alloys, and has important practical significance and academic value.

Zr基非晶合金因其优异的生物力学匹配度等特性在植入体材料领域具有广阔的应用前景。本项目针对Zr基非晶合金的本征生物惰性以及现有非晶材料表面处理工艺存在的问题，使用低氧源、高电导率、高稳定性的离子液体为电解质，采用低温阳极氧化的方法，对Zr基非晶合金表面进行改性，构建具有纳米结构的氧化膜层，以提高材料的生物矿化活性。项目主要研究离子液体体系及阳极氧化工艺参数对氧化膜微观形貌结构的影响规律；Zr基非晶态合金在离子液体中的电化学氧化及元素迁移机制；纳米结构氧化膜层的原位形成过程及晶化行为。通过研究希望获得离子液体中阳极氧化法制备膜层的结构调控机制，阐明Zr基非晶态合金在离子液体中的电化学氧化机理。项目的成功实施，可以丰富非晶态合金表面改性的基础理论，具有重要的实际意义和学术价值。

Zr基非晶合金因其优异的力学性能在生物医用材料方面展现出广阔的发展前景，然而未经处理的Zr基非晶合金表面多为生物惰性，植入人体后难以与目标组织形成骨性结合。本研究以具有代表性的Zr-Cu-Al系非晶合金为改性对象，在氯化胆碱-硫脲低共熔离子液体中通过电化学脱合金法在Zr基非晶合金表面原位构建微纳三维多孔结构，以降低Zr基非晶合金的生物惰性。.在氯化胆碱-硫脲低共熔离子液体中，成功在Zr基非晶合金表面制备了三维多孔结构，最优条件下制备的多孔结构孔径在20~180 nm之间。重点研究了Zr基非晶合金的物相变化和多孔结构的形成机制，结果表明，脱合金过程主要溶出元素为Cu、Al，其表面主要物相仍为非晶态，形成了NiZr2、Al3Ti、CuZr2等晶态物相。该体系电化学脱合金过程以Cl-的点腐蚀为主。在氯化胆碱-硫脲溶剂中Zr基非晶合金进行脱合金过程可分为以下几步。1、Zr基非晶合金发生点腐蚀，形成腐蚀凹孔，并在凹坑内部形成脱合金起始位点。2、由起始位点向周围脱合金，脱合金范围扩大，起始位点的孔径、孔深增大，由起始位点向外，孔径、孔深逐渐减小。3、孔径、孔深逐渐一致，形成孔壁较厚的三维多孔结构。4、孔壁上进一步脱合金，形成孔壁更薄、孔径更小的三维多孔结构。.在模拟体液中评估了电化学脱合金后Zr基非晶合金的生物矿化活性，结果表明，电化学脱合金改性后的Zr基非晶合金与未处理的Zr基非晶合金相比，其生物矿化活性明显提高。本项目的成功实施对丰富非晶合金表面改性基础理论，推动阳极氧化工艺在亚稳态材料领域的技术发展，扩大非晶合金在生物医药领域的应用具有重要的学术价值和实际意义。