ارزيابي رفتارخوردگي تيتانيوم خالص تجارتي در محيطهاي
شبيهسازي شده بدن با استفاده از تكنيك
الكتروشيميايي امپدانس(EIS)

فرهاد غروي1 و عبداﷲ افشار2
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
استاد، دانشگاه صنعتي شريف تهران
Farhad_gharavi@yahoo.com

چكيده
در اين تحقيق با بررسي ماهيت و رفتار فيلم روئين تشكيل شده بر روي سطح تيتانيوم خالص تجارتي (CP Ti)، رفتار خوردگي تيتانيوم خالص تجارتي در محلول هاي شبيهسازي شده Ringer و PBS مورد ارزيابي قرار گرفتهاست. بررسيها در پتانسيل خوردگي ((ECorr و در زمانهاي مختلف انجام شد. با بررسي طيفهاي امپدانس توسط نرمافزار Zsimp3.2 مدار معادل فرآيند مشخص گرديد. نتايج بهدست آمده نشان داد كه فيلم روئين تشكيل شده در محلول شبيهسازي شدهRinger از فشـردگي و يكنـواختي بيشتري نسبت به محلـول PBS برخوردار ميباشد. فيلم روئين تشكيل شده در محلول شبيهسازي شده Ringer در پتانسيل خوردگي داراي مقاومت ((Rp بالاتر و ظرفيت خازني ((Cp كمتر نسبت به محلول PBS ميباشد. در فصل مشترك فيلم روئين و محلول هاي شبيه سازي شده، يك حالت ديالكتريك برقرار بوده كه اين حالت ديالكتريك در محلول Ringer بيشتر از محلول PBS مي باشد. فيلم روئين تشكيل شده در محلول Ringer نسبت به محلول PBS در پتانسيل خوردگي از ضخامت بيشتر, سرعت رشد كمتر و دوام و پايداري بيشتري با گذشت زمان برخوردار ميباشد.

واژه هاي كليدي:
تيتانيوم خالص تجارتي، خوردگي، فيلم رويين، محيط هاي شبيهسازي شده بدن، طيف نگاري الكتروشيميايي امپدانس (EIS).
Keywords: Investment casting, A356 Aluminum Alloy, Parameters casting, Mechanical Properties

1- مقدمه
تيتانيوم و آلياژهاي آن از مهمترين مواد كاشتني (Implants) مورد استفاده در بدن انسان ميباشد چرا كه با داشتن خصوصياتي همچون مقاومت به خوردگي خوب، خواص مكانيكي مطلوب و سازگاري زيستي آن با بدن انسان بهعلت عـدم تـوليد هيچگونـه واكنشهـاي مضري در بـدن انسـان كـ اربرد آنهـا را روز بـه روز افزونتر كرده است. تيتانيوم و آلياژهاي آن در هنگام قرارگيري در محيطهاي شبيهسازي شده بهخصوص در حضور اكسيژن بهطور خود به خودي يك فيلم اكسيد سطحي بر روي سطح آنها تشكيل خواهد شد.
اين فيلم اكسيدي داراي ضخامتي در حدود چند نانومتر و معمولاً داراي تركيب دياكسيد تيتانيوم (2(TiO آمورف ميباشد.

شكل (1):شمايي از سل مورد استفاده.

در كاربردهاي پزشكي تركيب شيميايي و پايداري لايه محافظ سطحي بسيار مهم بوده چرا كه سطح مواد كاشتني در تماس مستقيم با محيط شبيهسازي شده و بافتهاي بيولوژيك قرار خواهد داشت. خوردگي و انحلال فيلم اكسيدي محافظ سطحي دو مكانيزمي ميباشند كه ميتوان براي آزاد شدن يونهاي فلزي در بـدن انسـان بيـان نمـود. آزاد شدن يونهاي فلزي در بدن ميتوانند توليد واكنشهاي خطرناكي با بافتهاي مجاور نمايند.
بنابراين توليد اين واكنشهاي خطرناك باعث عدم سازگاري زيستي مواد كاشتني در بدن انسان خواهد شد.
بررسيها نشان دادهاست كه فيلم اكسيد محافظ تشكيل شدن برروي سطح تيتانيوم و آلياژهاي آن در محيطهاي و پايداري آن، نقش بسيار مهمي در شناسائي رفتار و مقاومت به خوردگي تيتانيوم و آلياژهاي آن كه بهعنوان مواد كاشتني در بدن بهكار ميروند، ايفا ميكند. بنابراين خوردگي و به تناسب آن انحلال فيلمهاي محافظ تشكيل شده برروي تيتانيوم و آلياژهاي آن از جمله پارامترهاي مهمي ميباشند كه در استفاده از اين گونه مواد كاشتني بايستي مورد توجه قرار بگيرند.
لذا با بررسي رفتار و سرعت خوردگي و ارزيابي ماهيت و خصوصيات فيلم محافظ سطحي تشكيل شده ميتوان در مورد خصوصيات و توانائي استفاده از تيتانيوم و آلياژهاي آن در بكارگيري بهعنوان مواد كاشتني در بدن انسان اظهار نظر نمود.
بهترين روش و تكنيك الكتروشيميايي كه ميتوان از آن جهت بررسي رفتار و ماهيت فيلم اكسيد سطحي استفاده نمود، تكنيك

شكل (2):تجهيزات بهكاررفته جهت ارزيابي خوردگي.

طيف نگاري الكتروشيميايي امپدانس (EIS) ميباشد. از اين تكنيك جهت بررسي و مطالعه رفتار روئين شوندگي خود به خود فلزات در الكتروليتها تغييرات ايجاد شده در فيلمهاي اكسيدي محافظ سطح تشكيل شده بر روي فلزات و آلياژها، استفاده ميكنند.

2- روش تحقيق
جهت تهيه الكترود كاري از ورق تيتانيوم خالص تجارتي با تركيب شيميايي مطابق جدول (1) نمونههايي با سطح مقطع 1×20×20 ميلـيمتـر بـريده شد و سپس با استفاده از كاغذ سنبادههاي SiC با شمارههاي 240، 360، 400، 600، 800، 1000 و 1500 در نهايت توسط دوغاب آلوميناي 5/0 ميكرون تا حاصل شدن يك سطح صاف و صيقلي پوليش شدند.
هر كدام از نمونهها جهت غوطهور كردن در درون محلولها به يك سيم مسي متصل شدند. محل اتصال نمونهها با سيم مسي جهت جلوگيري از اتصال گالوانيك، توسط يك چسب عايق پوشانده شدند. يك الكترود كالومل اشباع و يك الكترود پلاتين به ترتيب بهعنوان الكترود مرجع و الكترود كمكي بهكار گرفته شدند. ميزان pH محلول Ringer برابر با 8/7 و مقدار pH محلول PBS برابر با 8 تعيين گرديد.
زمانهاي در نظر گرفته شده جهت انجام آزمايشات برابر با 1، 3، 5، 15، 19، 24، 30، 40، 48، 72 ساعت در نظرگرفته شد.

آزمايشات در دو محلول شبيهسازي شده Ringer و PBS كه تركيب شيميايي آنها در جدول (2) ارائه شدهاست، انجام گرفت.
هر كدام از محلولهاي مذكور در حجمي برابر با يك ليتر (1000cc) تهيه شدند. جهت هر آزمايش ميزان حجم محلول مورد نظر برابر با cc 20 انتخاب گرديد.
منحنيهاي نايكوئيست و بد و بد-فاز در محدوده فركانس 0.01-Hz105 با مقدار تحريك 10mV براي هر يك از نمونهها رسم شدند. طيفهاي امپدانس توسط نرم افزار Zsimp 3.2 تحليل و شبيهسازي شده و نهايتاً مدار معادل مربوطه پيشنهاد شد. تمامي آزمايشات در يك سل سه الكترودي و در دو پتانسيل خوردگي ((ECorr و روئين (+450mV) و با استفاده از يك پتانسيواستات EG&G (PAR) مدل 273A و يك دتكتور پاسخ فركانس
EG&G مدل 1025 انجام شد.

3- نتايج و مباحث
شكلهاي (3) و (4) منحنيهاي نايكوئيست ، بد و بد-فاز تيتانيومخالص تجارتي در محلولهاي شبيهسـازي شـده Ringer وPBS در پت ـانسيـل خــوردگي ((ECorr را نـشان مـيدهنـد . بـا توجـه بـه شكلهاي (3) و(4) مي توان عنوان نمود كه در فركانس هاي بـالا(Hz301-102) بر روي منحني بد-فاز يك خـط راسـت بـا زاويـهفازي نزديـك بـه صـفر درجـه در نمودارهـاي log|Z| بـر حـسبlog(f) مشاهده ميشود كه اين حالت گوياي مقاومت الكتروليت

جدول (1): آناليز تركيب شيميايي ورق تيتانيوم خالص تجارتي.
عنصر Ti Al Mo V Mn Fe Zr Nb Cr Cu Sn
درصد Rem. 0/3 <0/5 <0/1 <0/1 0/05 <0/1 <0/5 <0/02 <0/05 0/02

جدول (2): تركيب شيميايي محلول هاي شبيه سازي شده مورداستفاده.
محلول NaCl KCl CaCl2 NaHCO3 Na2HPO4 KH2PO4
Ringer 9/0 0/45 0/25 0/20 – –
PBS 8/0 0/2 – – 3/0 0/2
((Rs (ناحيـه مق اومتي ) خواه د بـود . همچن ين در ناحي ه وس يعي ازفركانسهاي پائين و مياني در من حنيهاي بد-فاز ارائـه شـده در
شكل (4) ديده مي شود كـه نمـودار log|Z| بـر حـسبlog(f) بـهصـورت ي ـك خط بـا شي ـب تقريباً برابـر بـا 1- در حـال كـاهش ميباشد و مقدار زاويه فازي تقريباً نزديك به 90- درجه خواهـدبود.
اين ويژگـي حـاكي از آن اسـت كـه يـك فـيلم روئـين بـا رفتـارخازني و به صورت Thin film و غير فـشرده و متـراكم بـر رويسطح تيتانيوم خالص تجـارتي در محلـولهـاي شـبيه سـازي شـده Ringer و PBS تشكيل شدهاست[6 – 1].
طيف هاي امپدانس حاصل شده در محلول هاي شبيه سازي شده Ringer و PBS در پتانسيل خوردگي توسط نرم افزار Zsimp3.2 تحليل و مدار معادل مربوطه مشخص گرديد. شكل (5) مدار معادل مشخص شده را نشان ميدهد. بررسيها نشان داد كه مدار معادل حاصل شده همانند مدار معادل پيشنهادي ساير محققين در اين زمينه ميباشد[11 – 8 ،7 ،4 ،3 ،1].
جهت بررسي خصوصيات و مكانيزم تشكيل فيلم روئين حاصل شـده بـر روي سطـح تيتانيوم خالص تجارتي در محلولهاي
شبيهسازي شده Ringer و PBS تحت شرايط پتانسيل خوردگي، مقادير عددي هر كدام از اجزاء مدار معادل كه مربوط به لايه تشكيل شده مي باشند، با استفاده از نرم افزار Zsimp 3.2 محاسبه گرديد. مقادير بهدست آمده در جدول (3) ارائه شدهاست.

Z’ (Ohm-sq cm) 14602425078

24hr-Ecorr-Ringer30hr-Ecorr-Ringer
40hr-Ecorr-Ringer

48hr-Ecorr-Ringer
72hr-Ecorr-Ringer

شكل (4): منحنيهاي بد-فاز تيتانيوم خالص تجارتي در محلولهاي
شكل (3):منحنيهاي نايكوئيست تيتانيوم خالص تجارتي در محلولهاي Ringer و PBS در زمانهاي مختلف تحت شرايط پتانسيل خوردگي.
Ringer و PBS در زمانهاي مختلف تحت شرايط پتانسيل خوردگي.
Cp

R

R
p

R
ct

C
dl

R

R

p

R

ct



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید