生物植入器件中Al2O3陶瓷和金属Ti的封接工艺及力学性能研究

摘要

Al2O3陶瓷和金属Ti由于其优良的生物相容性能使其在生物植入材料领域具有重要的应用前景。本课题采用具有生物相容性的磁控溅射表面金属化方式对Al2O3陶瓷和金属Ti表面改性，采用Au钎料实现表面改性后的Al2O3陶瓷和金属Ti的连接。本文对连接接头进行表征，并对接头力学性能进行了评估。
　　磁控溅射的参数对溅射沉积金属薄膜的厚度和均匀性有较大的影响。通过控制变量法进行实验，实验结果表明薄膜厚度与时间成线性关系，与功率成指数关系；其它参数如溅射气压、溅射气流和靶基距主要影响薄膜的均匀性。结合实验和设备参数，确定磁控溅射的溅射气压为3Pa，溅射气体流量为30sccm，靶基距为12cm。对溅射沉积的薄膜进行XRD和表面轮廓的表征测试。结果表明，溅射沉积的金属薄膜是非晶态的，且表面较粗糙，影响了Au在溅射沉积金属薄膜表面的润湿性。
　　对纯金属Ti、Nb、Mo进行连接，并在Al2O3陶瓷表面溅射金属Ti、Nb、Mo薄膜与其自身和金属Ti连接，试验结果表明，需要同时向Al2O3陶瓷和金属Ti表面溅射金属Mo薄膜，方可以实现Al2O3陶瓷和金属Ti的连接。
　　在Al2O3陶瓷和金属Ti表面溅射金属Mo薄膜层后，使用Au钎料对其进行了连接，当连接温度为1080℃保温时间为3min时，连接接头的界面组织为(Ti,Mo)ss/Au2Ti+Au+(Au,Mo)ss+Au+(Au,Mo)ss，当温度增加到1100℃，保温时间增加到5min时界面组织为(Ti,Mo)ss/Au2Ti+(Au,Mo)ss+Au+(Au,Mo)ss。在Al2O3陶瓷表面溅射Ti/Mo薄膜层后与表面溅射有金属Mo薄膜的Ti连接后，连接接头的界面结构与低温时溅射Mo的Al2O3/Ti接头一致，只是在Ti和Al2O3的连接界面处形成了TiO2/TiAl/Ti3Al化合物。
　　Al2O3陶瓷和金属Ti表面溅射金属Mo薄膜在1100℃/5min下接头的抗剪切强度可达到206.54MPa，溅射Mo时，增加基体的温度或者增加偏压至20V以下，可以增加接头的抗剪切强度；在Al2O3陶瓷表面溅射Ti/Mo薄膜层后与表面溅射有金属Mo薄膜的接头由于生成Ti3Al和TiO2的脆性相使接头在剪切试验时在Al2O3陶瓷处发生断裂。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 Al2O3陶瓷和金属Ti的性质

1.3 Al2O3陶瓷和金属Ti的连接现状

1.4 陶瓷表面金属化的方式

1.5 生物相容性金属钎料的研究现状

1.6 国内外文献综述简析

1.7 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备与工艺

2.3 材料表征及性能测试

第3章 Al2O3陶瓷与金属Ti的磁控溅射表面改性研究

3.1 引言

3.2 磁控溅射参数研究

3.3 磁控溅射沉积金属薄膜的表征

3.4 Au在磁控溅射沉积Ti、Nb、Mo金属薄膜表面的润湿性试验

3.5 本章小结

第4章 Al2O3陶瓷和金属Ti的连接

4.1 引言

4.2 Al2O3陶瓷和金属Ti的连接

4.3 Al2O3和Ti表面溅射沉积单层金属Mo的连接

4.4 Al2O3和Ti表面溅射Ti/Mo双金属层之后的连接

4.5 本章小结

第5章 Al2O3陶瓷和金属Ti连接的力学性能

5.1 引言

5.2 表面沉积金属Mo后Al2O3/Ti接头的力学性能

5.3 Al2O3表面沉积Ti/Mo后与沉积Mo的金属Ti钎焊接头的力学性能

5.4 磁控溅射参数对Al2O3/Ti钎焊接头力学性能的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢