脉冲激光沉积含氟羟基磷灰石薄膜及其组织性能研究

摘要

在Ti6Al4V(TC4)合金表面制备具有生物活性的磷灰石(FHA)涂层，可以将金属良好的机械性能与生物陶瓷良好的生物活性结合在一起，而采用含氟的羟基磷灰石做涂层，则可以有效解决羟基磷灰石薄膜溶解率高的问题。本文采用无机、有机法制备含氟羟基磷灰石粉末，并以获得的粉末为原料制作靶材，用脉冲激光沉积技术制备FHA薄膜。主要研究了沉积参数、氟含量和后续热处理对薄膜的组织结构和性能的影响。得到以下结果:
　　 无机法可以制备出无杂质相、结晶度好的FHA粉末，但其热稳定性较差，靶材烧结后部分分解为白磷钙石。有机法制得FHA粉末物相较纯净，氟离子进入磷灰石结构与OH键合，热稳定性好，可用于靶材的制备。
　　 随着沉积气氛压强的增大，薄膜均一性增强，表面颗粒增多，导致了表面粗糙度的增大;薄膜中的Ca/P原子比随着压强的增大而减小，趋近于理论值;随着压强的增大，薄膜的物相组成由非晶逐步转变成结晶高的薄膜。
　　 基片温度升高有助于获得结晶度更好的FHA薄膜，但当温度升至700℃时会部分分解产生CaO;同时，随着基片温度的升高，薄膜表面疏松，磷的烧蚀加剧，Ca/P原子比更偏离理论值。
　　 靶基距的减小有助于获得厚度更大的薄膜，薄膜表面的颗粒和粗糙度也随之增加;薄膜的Ca/P原子比随靶基距的减小而增大;靶基距为55 mm和68 mm沉积的薄膜均有较好的结晶度，靶基距的减小促进薄膜结晶度的提高，同时也使基片的氧化更严重。
　　 对沉积后的薄膜进行后续热处理可以提高薄膜结晶度，但过高温度易导致部分FHA分解并在薄膜中引入裂纹。真空腔内原位退火可以在提高结晶度的同时避免产生裂纹，但其氧化就严重。
　　 氟的引入可以减少薄膜表面颗粒的数量，降低薄膜表面粗糙度。随氟含量的增加，薄膜的Ca/P原子比和结晶度增加。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 生物材料简介

1.1.1 生物材料的分类

1.1.2 生物材料的评价

1.2 钛合金生物材料

1.2.1 钛合金生物材料的优势

1.2.2 钛合金生物材料的不足

1.3 羟基磷灰石

1.3.1 羟基磷灰石的结构特性

1.3.2 羟基磷灰石的性能

1.4 含氟羟基磷灰石涂层及其制备方法

1.4.1 含氟羟基磷灰石的结构特性

1.4.2 含氟羟基磷灰石粉末的制备

1.5 HA及FHA薄膜的制备方法

1.5.1 等离子喷涂法

1.5.2 电化学方法

1.5.3 溶胶－凝胶法

1.5.4 激光熔覆法

1.6 脉冲激光沉积法制备含氟羟基磷灰石涂层

1.6.1 脉冲激光沉积简介

1.6.2 脉冲激光沉积薄膜的主要影响因素

1.7 研究内容

2 实验方法

2.1 粉末制备

2.1.1 无机法制粉

2.1.2 有机法制粉一

2.1.3 有机法制粉二

2.2 靶材压制与烧结

2.3 基片预处理

2.4 薄膜制备

2.5 后续热处理

2.6 分析测试方法

2.6.1 X射线衍射分析(XRD)

2.6.2 红外光谱分析(FT-IR)

2.6.3 扫描电镜和能谱分析(SEM、EDX)

2.6.4 白光共聚焦显微镜(CSM)

2.6.5 接触角测量

2.6.6 模拟体液浸泡

2.7 实验材料与仪器

3 含氟羟基磷灰石粉末制备及靶材烧结

3.1 粉末制备

3.1.1 溶胶成胶性能

3.1.2 FHA粉末物相分析(XRD)

3.1.4 FHA粉末基团特征(FT-IR)

3.2 靶材烧结

3.2.1 靶材XRD

3.2.2 靶材的成分分析

3.3 本章小结

4 沉积参数对薄膜组织和性能的影响

4.1 沉积气氛对薄膜的影响

4.1.1 薄膜的表面形貌及粗糙度

4.1.2 薄膜的成分分析

4.1.3 薄膜的物相组成

4.1.4 薄膜的润湿性

4.2 基片温度对薄膜的影响

4.2.1 薄膜的表面形貌及粗糙度

4.2.2 薄膜的成分分析

4.2.3 薄膜的物相组成

4.2.4 薄膜的基团特征

4.2.5 薄膜的润湿性

4.3 靶基距对薄膜的影响

4.3.1 薄膜的表面形貌及粗糙度

4.3.2 薄膜的成分分析

4.3.3 薄膜的物相组成

4.3.4 薄膜的润湿性

4.4 本章小结

5 热处理及氟含量对薄膜组织和性能的影响

5.1 热处理对薄膜的影响

5.1.1 薄膜的表面形貌及粗糙度

5.1.2 薄膜的成分分析

5.1.3 薄膜的物相组成

5.1.4 模拟体液(SBF)浸泡后薄膜的物相组成

5.2 氟含量对薄膜的影响

5.2.1 薄膜的表面形貌及粗糙度

5.2.2 薄膜的成分分析

5.2.3 薄膜的物相组成

5.2.4 薄膜的润湿性

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录