一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法

本发明涉及金属基复合材料，具体涉及一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法。

背景技术：

1、石墨烯容易产生团聚现象，这会导致石墨烯超大比表面积的结构优势得不到发挥；石墨烯与镁基体界面润湿性较差，影响界面结合；石墨烯的密度较低，容易漂浮在镁合金熔体的表面，很难在镁基体中均匀分布，甚至有时无法加入到基体材料中，这导致了制备复合材料时成功率较低；生物医用镁合金在体内降解速度较快且并且极易在含有的cl-腐蚀环境下发生点蚀，限制了生物镁合金材料在生物医用方面的临床应用。目前大多数研究者都使用超声分散、球磨和石墨烯改性等预处理解决这些问题，但是这些方法很可能导致石墨烯增强体的损坏和石墨烯结构改变。

2、对于金属材料，同时具备高强度和良好的塑性一直是困扰学界的难题，层状金属基复合材料的出现为解决这一难题提供了一条可靠途径。层状金属基复合材料从仿生学中得到启发，发现在自然界中贝壳层状堆叠的结构对材料自身的强度和韧性有极大的改善，因此提出层状复合结构的构想，这样可以用两种不同属性的材料制备出兼具两者的优异性能的复合材料。对于生物医用镁合金而言，如何引入与水润湿性差的层状碳素材料以降低生物镁合金在体内的降解速率、增加生物医用镁合金在人体环境下的使用寿命成为目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法，该方法通过采用氧化石墨烯电泳沉积、放电等离子烧结和多道轧制等步骤，实现生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的合成，且经本发明方法制得的生物医用镁合金具有良好的力学性能，且可通过镁合金成分对其耐腐蚀性能进行有效调控；本发明目的之二在于提供由所述方法制得的生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1、一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法

4、使用电泳沉积的方式将氧化石墨烯沉积到镁基合金片层上，通过改变沉积时间以及初始石墨烯的厚度，构建具有不同结构参数的层状石墨烯碳镁基复合材料，再经放电等离子烧结和多道轧制步骤，得到生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的合成。

5、本发明优选的，具体包含如下步骤：

6、(1)通过混酸酸化处理石墨烯，水浴加热，清洗后干燥，得到氧化石墨烯；

7、(2)将氧化石墨烯超声分散于异丙醇溶液中，然后添加电解质al(no3)3，超声混匀；

8、(3)以不锈钢板为阳极，镁基合金片层为阴极，在步骤(2)制备的电解质溶液中，将氧化石墨烯电泳沉积到镁基合金片层上；

9、(4)以25片为一组，在密闭石墨模具中进行放电等离子烧结，制备复合材料块体；

10、(5)通过轧制或热挤压变形处理，对复合材料层状结构进行调控、加强层间结合，得到生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料。

11、本发明优选的，步骤(2)中，所述氧化石墨烯的浓度为0.05g/l，al(no3)3的浓度为0.01g/l。

12、本发明优选的，步骤(3)中，按质量份数计，所述镁基合金的组分包括6％的zn，1％的nd和0.5％的ca。

13、本发明优选的，步骤(3)中，在电压为30v，极板距离为50mm条件下，所述电泳沉积的时间为：1～5层0min，6-10层4min，11～15层6min，16-20层8min，21-25层10min。

14、本发明优选的，步骤(3)中，所述镁基合金片层的尺寸为长30mm、宽20mm、厚0.2mm。

15、本发明优选的，步骤(4)中，所述烧结条件为：40mpa、540℃保温8min。

16、本发明优选的，步骤(5)中，所述轧制条件为：以400℃、小变形量8％等额多道次进行轧制，经过5次轧制变形，总变形量可达到40％。

17、2、由所述方法制得的生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料

18、本发明的有益效果在于：

19、本发明通过电泳沉积方式将石墨烯附着在镁基体上，解决了石墨烯在基体中容易团聚的问题；

20、(1)本发明采用放电等离子烧结工艺制备烧结块体，在各基体片层间的接触面积会减小，石墨烯颗粒夹杂于其中会使得此处电流密度增大，从而使得石墨烯颗粒与镁基体接触的局部问题升高，增强片层间的结合以及石墨烯与基体的结合；

21、(2)通过改变沉积时间以及调整初始石墨烯的厚度，构建具有不同结构参数的层状石墨烯碳镁基复合材料，针对生物医用时随着骨愈合性越来越好，需要镁合金的抗拉强度和耐腐蚀性逐渐降低进行设计，复合人体康复的基本规律；

22、(3)通过多道次小变形量轧制或热挤压，对片层间、石墨烯与基体间的结合进行二次加强，再一次促进了石墨烯的分散。

技术特征：

1.一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法，其特征在于，使用电泳沉积的方式将氧化石墨烯沉积到镁基合金片层上，通过改变沉积时间以及初始石墨烯的厚度，构建具有不同结构参数的层状石墨烯碳镁基复合材料，再经放电等离子烧结和多道轧制步骤，得到生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的合成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包含如下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化石墨烯的浓度为0.05g/l，al(no3)3的浓度为0.01g/l。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，按质量份数计，所述镁基合金的组分包括6％的zn，1％的nd和0.5％的ca。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，在电压为30v，极板距离为50mm条件下，所述电泳沉积的时间为：1～5层0min，6-10层4min，11～15层6min，16-20层8min，21-25层10min。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述镁基合金片层的尺寸为长30mm、宽20mm、厚0.2mm。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述烧结条件为：40mpa、540℃保温8min。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述轧制条件为：以400℃、小变形量8％等额多道次进行轧制，经过5次轧制变形，总变形量可达到40％。

9.由权利要求1～8任一项所述方法制得的生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料。

技术总结
本发明公开了一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法，使用电泳沉积的方式将氧化石墨烯沉积到镁基合金片层上，通过改变沉积时间以及初始石墨烯的厚度，构建具有不同结构参数的层状石墨烯碳镁基复合材料，再经放电等离子烧结和多道轧制步骤，得到生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的合成，本方法可以降低生物镁合金在体内的降解速率、增加生物医用镁合金在人体环境下的使用寿命，同时材料自身的强度和韧性也得到了改善。

技术研发人员：宁慧燕,翁江翔,毕凤阳,穆光正
受保护的技术使用者：黑龙江工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12