多孔Ti合金中电化学阻抗检测方案(电化学工作站)

Gamry电化学工作站Reference 600在 多孔Ti―24Nb―4Zr合金电化学阻抗谱的研究 摘 要：文章主要研究了多孔Ti-24Nb-4Zr合金在不同的pH值下的NaCl溶液的电化学阻抗谱，并与常用的植入材料纯钛，Ti-6Al-4V合金，致密Ti-24Nb-4Zr合金的电化学阻抗谱进行对比分析，多孔Ti-24Nb-4Zr合金具有与参比材料相类似的腐蚀特性，基本符合医用植入材料的要求。 中国论文网 http://1/view-7268870. 关键词：多孔材料；钛合金；电化学阻抗 引言 　　交流阻抗方法是一种暂态电化学技术，它具有以下特点：一是测量速度快，二是对研究电极表面状态干扰小。可以用电阻R、电容C、电感L等电子元件组成的等效电路来模拟固液界面的反应过程，因此采用交流阻抗法得到的电化学阻抗谱是研究RC电路在交流电作用下的特点和规律[1]，这些特点与规律反映了材料在某种溶液中的电化学性能。 　　与致密的Ti-24Nb-4Zr合金相比，文章中的多孔Ti-24Nb-4Zr合金（多孔TNZ合金），有着不同的特点：具有凹凸不平的表面微观结构，因此这种材料的电化学性能与致密合金差异较大。该多孔TNZ合金主要用做生物医用植入材料，人体环境是一个复杂的电解液环境，因此，多孔TNZ合金在人体环境中的腐蚀行为研究就非常必要。对于生物医用植入材料来说，体内植入环境是相当复杂的，通过模拟体液测试材料的耐腐蚀性能来作为参考。常用的模拟体液有生理盐水，Hanks溶液，Ringers溶液等[2]。文章选用生理盐水（即0.9%的NaCl溶液）作为测试环境，采用三电极体系对材料进行电化学阻抗谱的测量，通过分析测量结果，研究材料在溶液中的电化学腐蚀行为等，并通过参比材料（纯Ti（国家标准为TA2），Ti-6Al-4V（国家标准为TC4）及致密Ti-24Nb-4Zr合金（致密TNZ合金））的对比试验，来分析多孔TNZ合金的腐蚀特性。 　　 1 实验 　　这四种材料中，多孔TNZ合金及致密TNZ合金属于亚稳定β相，TA2属于α钛，TC4属于α+β相。将四种材料的一个截面与铜导线连接，用环氧树脂封好，保留一个10mm×10mm工作面。向NaCl溶液中添加适量的盐酸或者氢氧化钠，调节NaCl溶液的pH值分别为2.4，5.4，7.4，对比分析四种材料分别在酸性、中性、碱性环境中的电化学性能。 　　实验过程中，使用美国Gamry公司的Reference 600型电化学工作站来进行测试及数据采集，通过配套的Gamry Framework软件进行实验参数设定及实验过程控制。采用通用的三电极体系来进行电化学测试，辅助电极为金属铂，参比电极为饱和甘汞电极。测试时溶液始终置于恒温水浴槽中，温度设定为310K，即人体温度37摄氏度。进行电化学测试前将三电极体系浸入溶液中，等待一段时间，获得稳定的开路电位（OCP），该电位也是材料的腐蚀电位（Ecorr），再进行电化学阻抗谱测量，施加10mV的正弦电位，频率扫描范围为100kHz～0.1Hz。分析软件采用Gamry Echem Analyst。 2 结果与讨论 2.1等效电路 　　一般来说，可以用等效电路来模拟材料在溶液中的界面电化学反应，四种材料的界面电化学反应用图1所示的等效电路来进行模拟，用奈奎斯特图来带入电化学阻抗谱（EIS）测试结果。这个等效电路就可以用R（QR）电路表示，Rs是溶液电阻，CPE或者Q是一个恒相位角元件，Rp是材料的极化电阻。一个相位元素的阻抗可以用公式ZCPE=1/[Q（jω）n]来表示，其中指数n是表征电流非平衡分布的参数。它是由表面粗糙度及表面缺陷引起的。Q表示材料在溶液中时氧化层的电容，在这里用CPE（它反映出与理想电容的偏差）来代替理想电容，CPE的阻抗中n与非均匀的电流密度相联系，这个非均匀的电流密度是由于多孔氧化层造成的。当n=1时，CPE为理想电容；当n=0时，CPE为理想电阻；当n=-1时，CPE为纯电感[4]。 　　 2.2 材料在NaCl溶液中的EIS 　　图2、图3、图4分别是在不同pH值NaCl溶液中的奈奎斯特图，与图1等效电路拟合的曲线进行对比，绘制在一张图上。通过等效电路拟合得到的数据列入表1。图表中多孔TNZ合金用P-TNZ表示；致密TNZ合金用TNZ表示；商业纯钛用TA2表示；Ti-6Al-4V合金用TC4表示。 　　由图2、图3、图4分析，可以看出在采用图1的模型拟合时，多孔TNZ合金的拟合曲线与实际测得的数据在pH值等于5.4及7.4的NaCl溶液中，拟合曲线与测试结果相差无几，只有在pH值等于2.4的NaCl溶液中有所偏差，其他材料在NaCl溶液的拟合曲线与实际测量的数据相一致，因此可用R（QR） 模型来模拟这四类材料的固液腐蚀界面。由表1中可看到，多孔TNZ合金的n值都在0.9以下，说明其固液界面与理想电容还是有一定的差距。而其他三种材料的n值都大于0.9，固液界面比较接近理想电容。材料耐蚀性的强弱由公式中的Rp值的高低表示，在pH值等于2.4的NaCl溶液中多孔TNZ合金的Rp值最低，说明其钝化膜相对于其他三种材料具有较低的阻抗，耐蚀性相对较弱，而在碱性NaCl溶液中，多孔TNZ合金的Rp值为1.09E+05Ωcm2，与其他三种材料在一个数量级上。其电化学性能与耐腐蚀性能与致密TNZ合金、纯钛、Ti-6Al-4V合金相似。 3 结论 　　通过借助电化学工作站，采用三电极体系在生理盐水溶液中测量多孔TNZ合金电化学阻抗，并用致密TNZ合金，纯钛及Ti-6Al-4V这三种参比材料做了对比试验，通过等效电路拟合来分析材料的固液腐蚀界面。可以得出以下结论：通过电化学阻抗谱及拟合分析，等效电路R（QR）模型均能模拟这四种材料在NaCl溶液中的腐蚀体系。多孔TNZ合金钝化膜的阻抗在pH值等于2.4的NaCl溶液中略低于其他三种材料。通过拟合得到的相关数据分析，表明多孔合金的电化学性能与参比材料相近，同样具有较高的耐蚀性，能够满足生物医用植入材料在体内的要求。 　　参考文献 　　[1]扈显琦，梁成浩.交流阻抗技术的发展与应用[J].腐蚀与防护，2004，25（2）： 57-60. 　　[2] Y. H. Li， G. B. Rao， L. J. Rong， et al.， The influence of porosity on corrosion characteristics of porous NiTi alloy in simulated body fluid[J].Materials Letters，2002，57（2）：448-451. 　　[3] K. W. Ng， H. C. Man and T. M. Yue，Corrosion and wear properties of laser surface modified NiTi with Mo and ZrO2[J].Applied Surface Science， 2008，254（21）：6725-6730. 　　[4] N. Zaveri， M. Mahapatra， A. Deceuster， et al.， Corrosion resistance of pulsed laser-treated Ti-6Al-4V implant in simulated biofluids[J]. Electrochimica Acta，2008，53（15）：5022-5032. endprint 转载请注明来源。原文地址：http://www.xzbu.com/1/view-7268870.htm (​http:​/​​/​www.xzbu.com​/​1​/​view-7268870.htm​) 交流阻抗方法是一种暂态电化学技术，它具有以下特点：一是测量速度快，二是对研究电极表面状态干扰小。可以用电阻R、电容C、电感L等电子元件组成的等效电路来模拟固液界面的反应过程，因此采用交流阻抗法得到的电化学阻抗谱是研究RC电路在交流电作用下的特点和规律[1]，这些特点与规律反映了材料在某种溶液中的电化学性能。 　　与致密的Ti-24Nb-4Zr合金相比，文章中的多孔Ti-24Nb-4Zr合金（多孔TNZ合金），有着不同的特点：具有凹凸不平的表面微观结构，因此这种材料的电化学性能与致密合金差异较大。该多孔TNZ合金主要用做生物医用植入材料，人体环境是一个复杂的电解液环境，因此，多孔TNZ合金在人体环境中的腐蚀行为研究就非常必要。对于生物医用植入材料来说，体内植入环境是相当复杂的，通过模拟体液测试材料的耐腐蚀性能来作为参考。常用的模拟体液有生理盐水，Hanks溶液，Ringers溶液等[2]。文章选用生理盐水（即0.9%的NaCl溶液）作为测试环境，采用三电极体系对材料进行电化学阻抗谱的测量，通过分析测量结果，研究材料在溶液中的电化学腐蚀行为等，并通过参比材料（纯Ti（国家标准为TA2），Ti-6Al-4V（国家标准为TC4）及致密Ti-24Nb-4Zr合金（致密TNZ合金））的对比试验，来分析多孔TNZ合金的腐蚀特性。