Mg의 구조적 특성 및 분해

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12572(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

Li 질량 분율이 1.6%(m/m)에서 9.5%(m/m) 사이인 Mg-Li(마그네슘-리튬) 합금의 자립형 박막을 제조하고 구조 및 분해 특성과 관련하여 연구했습니다. Li 함량이 증가함에 따라 미세 구조는 엄격한 원주형 성장과 우선 배향을 통해 육각형 Mg-Li에서 벗어나고 추가 입방체 Mg-Li 및 Li2CO3가 발생합니다. 생분해를 조사하기 위해 전위차 분극 및 중량 손실 측정을 통해 Hanks의 균형 염 용액에서 부식 속도를 측정했습니다. 방향, 위상 및 보호층 형성의 영향으로 전위차 분극으로 측정할 때 부식이 0.13 ± 0.03에서 0.67 ± 0.29 mm/년으로 1.6에서 5.5%(m/m)로 증가하지만 부식 속도는 9.5%와 유사합니다. (m/m) 및 3%(m/m)의 Li는 0.27 ± 0.07 mm/년 및 0.26 ± 0.05 mm/년입니다.

마그네슘과 그 합금은 생분해성으로 인해 의료 분야의 응용 재료로 널리 연구되고 있습니다. 예를 들어 Ca, Zn 또는 희토류 원소(REE)와 같은 다양한 원소가 포함되어 기계적 특성을 개선하거나 분해 속도를 맞춤화하여 스텐트 또는 뼈 임플란트와 같은 응용 분야에 맞게 조정합니다1,2,3,4. 임플란트가 더 이상 필요하지 않게 되면 분해되는 장점 외에도, 스텐트에 약물 용출층5을 장착하거나 부식 과정 및 pH와 같은 환경 변화를 사용하여 임플란트의 가능한 치료 효과를 탐구합니다. 항균 특성으로 인해 수소 발생이 직접적으로 발생합니다6.

본 연구에서는 임플란트 자체를 치료법으로 사용하려는 아이디어에 따라 치료 활성 원소인 리튬을 포함하는 합금을 분석할 것입니다. 리튬은 기분 장애, 특히 양극성 장애 치료에 사용되며, 알츠하이머병 및 파킨슨병에도 영향을 미치는 것으로 연구되었습니다7,8,9,10. 마그네슘 자체도 신경학적 효과를 나타냅니다11. 따라서 마그네슘과 추가 요소가 분해되어 지속적으로 방출되면 뇌의 국소 치료가 가능해집니다. 물질의 분해를 이해하여 조절된 국소 방출을 달성하면 Li12 치료 중에 발생할 수 있는 부작용을 줄일 수 있습니다.

Mg-Li의 경우, 벌크 재료의 구조는 c 방향 거리의 감소와 더 높은 Li 분율(Mg-Li 상)에 대한 체심 입방(bcc) 상(β 상)으로의 상 변화로 인해 순수 Mg와 다릅니다. 다이어그램, 그림 113). 이러한 변화는 hcp Mg-Li 합금에서도 프리즘 평면의 추가적인 비기저 미끄러짐, 쌍정 및 더 많은 연성 특성을 초래합니다. Li 함량이 높은 경우 두 번째 상을 추가하면 기계적 특성이 크게 변경될 수 있습니다. Li et al. 는 두 단계에 존재하는 글라이딩 시스템 수의 차이와 그에 따른 응력 축적의 차이로 인해 균열이 위상 경계에서 형성되는 것이 바람직하다는 것을 보여주었습니다. 또한 두 번째 단계의 노화와 실온에서도 bcc에서 hcp 단계로의 변화는 시간이 지남에 따라 특성에 영향을 미칩니다.

Mg-Li 상 다이어그램, 13에서 수정됨. Li 분율이 0~50%(n/n)인 영역이 묘사되고 샘플 필름의 농도(Li 질량 분율 1.6%(m/m), 3%(m/m), 5.5%(m/m) m) 및 9.5%(m/m))가 표시됩니다. Li 농도가 낮으면 hcp 구조를 갖는 Mg가 풍부한 α상이 되고, Li 농도가 높으면 bcc 구조를 갖는 β상이 됩니다. 혼합상 영역에서는 α상과 β상이 형성됩니다.

Mg-Li 합금의 부식 속도는 Li의 높은 활성, 미세 구조 및 표면 필름의 변화와 같은 여러 요인의 영향을 받습니다. Li의 낮은 전기화학적 전위는 음극 동역학의 증가와 pH의 더 큰 변화를 초래합니다. Filiform 부식은 α 또는 α + β 재료의 Mg-Li 합금에서 발생하는 주요 부식 과정 중 하나로 밝혀졌습니다. 혼합상이 있는 필름의 경우 마이크로 갈바닉 커플링은 부식 속도 증가의 주요 요인으로 발견되며 상 경계19,20에서 선호되는 부식 및 구멍이 발생합니다. 그러나 부식 중에 형성된 미세 구조와 보호층의 다양성으로 인해 부식 속도에 대한 다양한 요인의 영향을 명확하게 나타내기가 어렵습니다. Li et al. 부식 속도는 α + β > α > β18에서 감소하는 것으로 나타났습니다. bcc상의 낮은 부식속도는 형성된 보호층의 높은 밀도와 안정성에 기인하는 것으로 추정된다. Mg가 풍부한 상의 경우 주로 다공성 Mg(OH)2 층이 부식 중에 형성될 것으로 예상되지만21,22 bcc 상을 포함하여 Mg-Li 위에 형성된 표면 필름의 층 구조는 복잡합니다. 예를 들어 Xu 등은 표면의 Li2CO3 필름, 아래의 Mg 산화물 및 Li 산화물 필름, 벌크 물질 이전의 Mg-풍부 필름으로 공기 중에 형성된 천연 필름의 구조를 분석했습니다23. 다른 연구에서는 공기 중에서 또는 부식 중에 Li 및 Mg의 탄산염, 산화물 및 수산화물을 포함한 여러 화합물이 형성된 필름에 대해 종종 층 구조로 분리된다고 주장합니다. 이전 연구에서는 형성된 Li2CO3가 bcc 단계23,26,27의 높은 내식성에 주요 영향을 미치는 것으로 가정하거나 의심했습니다. 필름 응력의 척도인 PBR(필링-베드워스 비율)은 1 < PBR < 2에 대한 안정적인 필름을 식별하며 Li2CO3에 대한 모든 Mg:Li 비율에 대해 > 1입니다. 따라서 hcp 단계에서 더 낮은 Li 질량 분율에 대해 이미 형성될 수 있습니다. Yanet al. Li 도핑으로 인한 또 다른 가능한 영향을 제시하여 MgO를 강화하고 더 다공성이고 덜 보호적인 수산화마그네슘의 형성을 방해합니다. 안정적인 MgO 층을 형성하기 위한 임계 Li 분율은 약 15-18 at.로 계산됩니다. % (4.8–5.9%(m/m)), 이는 β 또는 α + β28을 갖는 Mg-Li에서만 층이 형성되는 것과 일치합니다. 따라서 Li 도핑에 의한 안정적인 MgO 층 형성을 가정하면 Li 분율이 높을수록 막 응력의 변화로 인해 부식 속도가 감소합니다.