Mg の構造特性評価と劣化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12572 (2023) この記事を引用

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Li 質量分率が 1.6% (m/m) から 9.5% (m/m) の間の Mg-Li (マグネシウム-リチウム) 合金の自立型薄膜を調製し、その構造と劣化特性について研究しました。 Li 含有量が増加すると、微細構造は厳密な柱状成長と優先配向を伴う六方晶系 Mg-Li から逸脱し、立方晶系 Mg-Li および Li2CO3 がさらに発生します。 生分解を調査するために、ハンクス平衡塩溶液中で電位差分極および重量損失測定によって腐食速度を測定しました。 配向、相、保護層の形成の影響により、動電位分極で測定した場合、腐食が 0.13 ± 0.03 ～ 0.67 ± 0.29 mm/年と 1.6 ～ 5.5% (m/m) 増加しますが、腐食率は 9.5% と同様です。 (m/m) および 3% (m/m) の Li は 0.27 ± 0.07 mm/年および 0.26 ± 0.05 mm/年。

マグネシウムとその合金は生分解性があるため、医療分野での応用材料として広く研究されています。 Ca、Zn、希土類元素 (REE) などのさまざまな元素は、機械的特性を改善したり、分解速度を調整してステントや骨インプラントなどの用途に合わせて調整したりするために含まれています 1、2、3、4。 不要になった後に分解するインプラントを有するという利点に加えて、インプラントの可能な治療効果は、例えば、ステントに薬剤溶出層5を装填すること、または腐食プロセスおよびpHなどの環境の変化を利用することによって調査される。抗菌特性のために水素が直接発生します6。

インプラント自体を治療として使用するという考えに沿って、この研究では治療活性元素であるリチウムを含む合金が分析される予定です。 リチウムは気分障害、特に双極性障害の治療に使用されており、アルツハイマー病やパーキンソン病にも効果があることが研究されています7、8、9、10。 マグネシウム自体も神経学的影響を示します11。 したがって、マグネシウムと追加元素の両方が分解され、継続的に放出されることで、脳内の局所治療が可能になると考えられます。 材料の分解を理解することによって制御された局所放出が達成されれば、Li12 による治療中に発生する可能性のある副作用を軽減できる可能性があります。

Mg-Li の場合、バルク材料の構造は、c 方向の距離が減少し、Li 含有率が高くなると体心立方晶 (bcc) 相 (β 相) に相変化することにより、純粋な Mg とは異なります (Mg-Li 相)。図、図 113)。 この変化は、hcp Mg-Li 合金であっても、角柱面での非基底滑りの追加、双晶化、および延性の向上につながります。 Li 含有率が高い場合、第 2 相の添加により機械的特性が大きく変化する可能性があります。 リーら。 は、亀裂は相境界で形成されることが好ましく、これは両方の相に存在する滑りシステムの数の違い、つまり応力蓄積の違いによって促進されることを示しました。 さらに、第 2 相の老化と、室温であっても bcc 相から hcp 相への変化は、時間の経過とともに特性に影響を与えます 14,15。

Mg-Li 状態図、13 から引用。 Li 含有率が 0 ～ 50% (n/n) の領域とサンプル膜の濃度 (Li 質量含有率 1.6% (m/m)、3% (m/m)、5.5% (m/m/) が示されています。 m) および 9.5% (m/m)) がマークされています。 Li 濃度が低いと、Mg に富んだ hcp 構造の α 相が生成され、Li 濃度が高いと、bcc 構造の β 相が生成されます。 混合相領域にはα相とβ相が形成される。

Mg-Li 合金の腐食速度は、Li の高活性、微細構造や表面膜の変化などのいくつかの要因によって影響されます。 Li の電気化学ポテンシャルが低いため、陰極反応速度が増加し、pH がより大きく変化します。 糸状腐食は、α または α + β 材料の Mg-Li 合金で発生する主要な腐食プロセスの 1 つであることがわかっています。 混合相を含む膜の場合、マイクロガルバニック結合が腐食速度の増加の主な要因として見出され、相境界での腐食と孔食が優先されます 19,20。 しかし、腐食中に形成される微細構造と保護層は多様であるため、さまざまな要因が腐食速度に及ぼす影響を明確に示すことが困難になります。 リーら。 は、腐食速度がα + β > α > β18 に減少することを示しました。 bcc 相の腐食速度が低いのは、形成された保護層の高密度と安定性によるものと考えられます。 Mg リッチ相では、腐食中に主に多孔質の Mg(OH)2 層が形成されると予想されますが 21,22、bcc 相を含む Mg-Li 上に形成される表面皮膜の層構造は複雑です。 Xuらは、空気中で形成される自然膜の構造を、表面のLi2CO3膜、その下のMg酸化物とLi酸化物膜、バルク材料前のMgリッチ膜として分析した23。 他の研究では、空気中または腐食中に、Li と Mg の両方の炭酸塩、酸化物、水酸化物を含むいくつかの化合物が層構造で分離されて形成される膜について主張しています 16、24、25。 以前の研究では、形成された Li2CO3 が bcc 相の高い耐食性に主な影響を与えていると仮定または推測されていました 23,26,27。 ピリング・ベッドワース比 (PBR) は膜応力の尺度であり、1 < PBR < 2 で安定した膜を特定しますが、Li2CO3 のすべての Mg:Li 比で > 1 です。 したがって、hcp 相の Li 質量分率が低い場合にはすでに形成されている可能性があります 18。 ヤンら。 Li ドーピングにより MgO が強化され、より多孔質で保護力の低い水酸化マグネシウムの形成が妨げられるという別の影響の可能性を示唆しています。 MgO の安定な層を形成するための臨界 Li 割合は約 15 ～ 18 at. であると計算されます。 % (4.8 ～ 5.9%(m/m))、これは、β または α + β28 を持つ Mg-Li 上にのみ層が形成されることと一致します。 したがって、Li ドーピングによる安定な MgO 層の形成を仮定すると、Li 含有率が高くなると、膜応力が変化して腐食速度が低下します。