توصيفگر ها :
آهن , سيليكون نيتريد , تفجوشي پلاسماي جرقهاي , زيست فعالي , خوردگي , طراحي آزمايش
چكيده فارسي :
آلياژهاي پايه آهن به دليل خواص مكانيكي مطلوب، زيستسازگاري مناسب و قابليت تجزيهپذيري در محيط بدن، بهعنوان گزينهاي برجسته براي ساخت ايمپلنتهاي زيستتخريبپذير مورد توجه قرار گرفتهاند. اين آلياژها پس از انجام وظايف مكانيكي در بدن، بهتدريج تجزيه شده و نياز به جراحيهاي ثانويه براي برداشتن ايمپلنت را از بين ميبرند. با اين حال، يكي از چالشهاي مهم، سرعت پايين خوردگي آنها در محيط بدن است كه ميتواند عملكرد طولانيمدت را تحت تأثير قرار دهد. در اين پژوهش، بهبود سرعت خوردگي با افزودن سيليكون نيتريد (Si₃N₄) و استفاده از روش تفجوشي پلاسماي جرقهاي (SPS) مورد بررسي قرار گرفت. دماهاي 800، 900 و 1000 درجه سانتيگراد و درصدهاي 1، 3 و 5 درصد Si₃N₄ بهعنوان پارامترهاي فرآيند در نظر گرفته شدند. بررسي نمونهها با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، آناليز XRD، آزمونهاي پلاريزاسيون و امپدانس الكتروشيميايي انجام شد. نتايج نشان داد كه با افزايش درصد Si₃N₄، تخلخل نمونهها افزايش يافته و به دنبال آن، سرعت خوردگي بيشتر شد؛ بهطوريكه نمونهاي با بيشترين درصد Si₃N₄ و كمترين دما، بهترين سرعت خوردگي را نشان داد. مشاهده شد كه تخلخلها به ميزان قابل توجهي افزايش يافتهاند. با وجود افزايش تخلخلها، انتظار كاهش شديد سختي وجود داشت؛ اما سختي بالاي سيليكون نيتريد مانع از كاهش شديد سختي ماده شد. سطح شكست داراي نواحي كشيده و جرياني بود. همچنين، نمونهها به مدت 28 روز در محلول شبيهسازيشده بدن (SBF) و 3 ماه در محلول PBS نگهداري شدند تا رفتار زيستي و تخريب آنها در شرايط درونبدني مورد بررسي قرار گيرد. سيليكون نيتريد علاوه بر بهبود آبدوستي، خواص زيستفعالي را نيز ارتقا داد. نمونههايي با درصد بالاتر Si₃N₄ تشكيل هيدروكسي آپاتيت بيشتري را نشان دادند كه نشاندهنده سازگاري بهتر با بافت استخواني است. تصاوير ميكروسكوپي نشان داد كه ذرات Si₃N₄ در نواحي مرزي تجمع يافته و به تشكيل لايهاي از هيدروكسي آپاتيت كمك كردهاند. آزمون تخريب با غوطهور كردن نمونهها در محلول PBS انجام شد و نتايج نشان داد كه تغيير وزن نمونهها تا پايان مدت آزمون محسوس نبود. اين موضوع نشان ميدهد كه براي آغاز فرآيند تخريب در اين آلياژها به زمان بيشتري نياز است. اين پژوهش نشان داد كه افزودن Si₃N₄ ميتواند علاوه بر بهبود خواص مكانيكي و زيستسازگاري، سرعت خوردگي را در آلياژهاي پايه آهن كنترل كند. تحليل دادهها با استفاده از روشهاي تاگوچي و RSM بهمنظور بهينهسازي پارامترهاي فرآيند انجام شد. اين بهينهسازي به شناسايي تركيب و شرايط مناسب براي دستيابي به خواص مكانيكي و زيستي بهينه كمك كرد.
چكيده انگليسي :
Iron-based alloys, due to their favorable mechanical properties, biocompatibility, and biodegradability in the body, have emerged as promising candidates for the development of biodegradable implants. These alloys gradually degrade after fulfilling their mechanical functions, eliminating the need for secondary surgeries to remove the implants. However, a major challenge is their low corrosion rate in the body, which can affect their long-term performance. This study investigated the improvement of corrosion rate by adding silicon nitride (Si₃N₄) using the spark plasma sintering (SPS) method. Temperatures of 800, 900, and 1000°C, along with Si₃N₄ concentrations of 1%, 3%, and 5%, were selected as process parameters. The samples were analyzed using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and electrochemical tests, including potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy. The results showed that increasing the Si₃N₄ content led to higher porosity and, consequently, a higher corrosion rate. The sample with the highest Si₃N₄ content and the lowest temperature exhibited the best corrosion rate. It was also observed that porosity increased significantly, and despite this, a severe decrease in hardness was not observed due to the inherent hardness of silicon nitride. The fracture surfaces revealed elongated and flow-like regions. Additionally, the samples were immersed for 28 days in simulated body fluid (SBF) and for 3 months in phosphate-buffered saline (PBS) to evaluate their degradation and biological behavior in vitro. Silicon nitride not only improved the hydrophilicity of the samples but also enhanced their bioactivity. Samples with higher Si₃N₄ content formed more hydroxyapatite, indicating better compatibility with bone tissue. Microscopic observations showed that Si₃N₄ particles aggregated at the boundaries, aiding in the formation of a hydroxyapatite layer. The degradation test, performed by immersing the samples in PBS, showed no significant weight change by the end of the test, indicating that a longer time is required for the onset of degradation in these alloys. This study demonstrated that the addition of Si₃N₄ can control the corrosion rate while also improving the mechanical and biological properties of iron-based alloys. Data analysis using the Taguchi and response surface methodology (RSM) was performed to optimize the process parameters, helping to identify the optimal composition and conditions to achieve the desired mechanical and biological properties.