一种制备生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，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

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

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。

发明内容

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。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

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

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。

本发明优选的，具体包含如下步骤：

(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；

(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(NO

(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；

(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；

(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。

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(NO

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。

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。

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。

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

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％。

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

本发明的有益效果在于：

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；

(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；

(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；

(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。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料制备的流程图；

图2为生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料烧结示意图；

图3为最终成形后层状异构石墨烯镁基复合材料最外层组织形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1、一种生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料的制备方法

采用电沉积工艺制备包覆Mg-6Zn-1Nd-0.5Ca镁合金的石墨烯薄膜，随后进行叠加25层，放在放电等离子烧结炉中进行烧结，最后采用热轧工艺成形层状碳纳米管镁基复合材料。

生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料制备的流程图如图1所示，生物医用层状异构石墨烯镁基复合材料烧结示意图如图2所示。

方案1的具体步骤如下：

(1)在真空熔炼炉中制备出Mg-6Zn-1Nd-0.5Ca镁合金铸锭，在线切割机上进行切割加工成长30mm、宽20mm、厚0.2mm的薄片；

(2)将薄片通过SiC砂纸进行打磨，并使用乙醇和丙酮溶液进行清洗后，烘干保存备用；

(3)通过混酸(浓硝酸：浓硫酸＝1：3)酸化处理石墨烯，70℃水浴加热5h，进行反复稀释抽滤，直至无残余酸性，烘干保存；

(3)将预处理过的GNPs按0.05g/L分散于异丙醇溶液，超声5h。添加浓度为0.01g/L的Al(NO

(4)构建电泳沉积装置，以不锈钢板为阳极，镁合金薄片为阴极，极板距离固定为50mm。电压为30V，1-5层采用0min电泳沉积，6-10层采用4min电泳沉积，11-15层采用6min电泳沉积，16-20层采用8min电泳沉积，21-25层采用10min电泳沉积；

(5)以25片为一组，在密闭石墨模具中进行放电等离子烧结，烧结条件为：40MPa、540℃保温8min。后随炉冷却，制备出GNPs/Mg层状复合材料块体；

(6)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；

轧制条件为：以400℃、小变形量8％等额多道次进行轧制，经过五次轧制变形，总变形量可达到40％。第一道次前进行20min均匀化预热，每道次间辅以5min退火处理，消除应力，提高变形能力。

采用方案1制备得到的层状复合材料的力学性能：屈服强度238MPa，延伸率11.1％，在模拟体液中腐蚀速率1.272g/(m

对比实施例1：25层均不采用电沉积，540℃、40MPa保温8min放电等离子烧结，轧制后的层状复合材料的力学性能：屈服强度156MPa，延伸率4.1％，在模拟体液中腐蚀速率1.722g/(m

对比实施例2：25层均采用4min电泳沉积，460℃、40MPa保温8min放电等离子烧结，轧制后的层状复合材料的力学性能：屈服强度188MPa，延伸率4.5％，在模拟体液中腐蚀速率1.645g/(m

对比实施例3：25层均采用4min电泳沉积，500℃、40MPa保温8min放电等离子烧结，轧制后的层状复合材料的力学性能：屈服强度201MPa，延伸率8.7％，在模拟体液中腐蚀速率1.341g/(m

对比实施例4：25层均采用4min电泳沉积，540℃、40MPa保温8min放电等离子烧结，轧制后的层状复合材料的力学性能：屈服强度234MPa，延伸率12.2％，在模拟体液中腐蚀速率1.122g/(m

对比实施例5：25层均采用4min电泳沉积，580℃、40MPa保温8min放电等离子烧结，轧制后的层状复合材料的力学性能：屈服强度198MPa，延伸率9.1％，在模拟体液中腐蚀速率1.522g/(m

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。