钛表面激光氮化与熔覆梯度生物涂层

摘要

为提高医用纯钛的生物临床性能和耐腐蚀性能，本文采用Sol-Gel法制备生物玻璃，通过激光熔覆的方式将生物玻璃熔覆在钛表面，同时添加钛粉以及纳米银制备出梯度抗菌涂层。在此基础上，采用激光气氛氮化的方法在钛表面制备氮化钛膜层，然后在氮化钛膜层表面激光熔覆生物玻璃涂层。通过XRD、FTIR、TG-DSC、BET、SEM和EDS等方法研究生物玻璃以及涂层的物相结构和显微形貌，借助涂层附着力划痕仪测试涂层的结合力，采用电化学工作站评价其耐腐蚀性能。通过研究得到以下主要结论： （1）通过Sol-Gel法制备出的1#和2#生物玻璃粉末，在700℃热处理，1#生物玻璃主晶相是Na2Ca3Si6O16和CaSiO3；2#主晶相是Na2Ca3Si6O16。BET测得1#和2#生物玻璃的平均比表面积为10.59m2/g和12.67m2/g，生物玻璃块体材料强度一般与显气孔率呈负相关，且随着烧结温度增加，强度是先增大后降低的趋势。两种生物玻璃在SBF中浸泡一段时间后表面均形成羟基磷灰石沉积层，本论文所制备的两种生物玻璃具有一定的生物活性。 （2）本论文采用激光气氛氮化的方法，在钛表面制备出氮化钛涂层，探究了不同激光功率以及速率和钛表面是否喷砂处理对氮化钛涂层的影响，喷砂处理后，钛表面会吸收更多的有效激光能量，XRD测试制备的氮化钛衍射峰较强。本实验制备的氮化钛涂层主要的晶相为c-TiN(PDF#38-1420)和TiN0.3(PDF#41-1352)，300W，1.0m/min制备的氮化钛膜层表面三维立体结构明显，呈现多孔结构，而且氮化钛衍射峰较强。在SBF溶液中进行电化学测试，发现钛表面激光氮化后耐腐蚀性显著提高。在氮化钛膜层表面激光熔覆一层1#生物玻璃，发现氮化处理可以增大熔覆涂层的润湿性，提高涂层与基底的结合力。 （3）本论文通过激光熔覆法在Ti上合成含有Ag纳米颗粒的抗菌涂层。在激光熔覆过程中，由于瓷和钛之间的化学反应形成CaTiO3相，这说明抗菌涂层和Ti之间的强烈冶金结合。由于垂直于激光扫描方向的高温度梯度，在Ti上形成具有枝晶结构的涂层。当Ti20wt％时，此时涂层平整性最好，枝晶尚不明显，涂层与基材之间的结合强度最高。涂层在SBF中浸泡一段时间，发现随沉积时间延长表面磷酸钙增多，钛含量增大会降低生物活性。在涂层中加入纳米银可获得具有一定抗菌效果的生物涂层，且随着银含量的增加涂层抗菌性能提高，而钛含量对抗菌性则无明显影响。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1.1生物医用材料

1.1.2 生物医用陶瓷材料

1.1.3 生物医用金属材料

1.2 生物玻璃

1.2.1 生物玻璃的种类

1.2.2 生物玻璃的合成方法

1.3.1 医用钛及其合金简述

1.3.2 医用钛的优点

1.3.3 医用钛存在的问题

1.4医用钛的表面改性方法

1.4.1 机械法

1.4.2 物理法

1.4.3 化学法

1.5研究主要内容和意义

2 实验材料、设备及其表征方法

2.1 引言

2.1.1 原料

2.1.2 仪器与设备

2.3.1 TG-DSC综合热分析仪

2.3.2 X射线衍射仪

2.3.3 傅里叶红外光谱仪

2.3.4 扫描电子显微镜

2.3.5 透射电子显微镜

2.3.6 涂层附着力划痕仪

2.3.7 耐腐蚀性测试

2.4 小结

3 溶胶凝胶法制备生物玻璃

3.1 引言

3.2.1 生物玻璃粉末的制备

3.2.2 块体材料制备

3.2.3 SBF浸泡实验

3.3.1 生物玻璃凝胶的热力学分析

3.3.2 生物玻璃粉的微观介孔分析

3.3.3 生物玻璃块体在不同烧结温度下的强度、体密度以及显气孔率

3.3.4 生物玻璃块体不同烧结温度下的断面SEM图

3.3.5 生物玻璃在SBF溶液浸泡后的FTIR图谱

3.3.6 700℃烧结的1#生物玻璃块体在SBF溶液浸泡后的SEM

3.3.7 2#生物玻璃粉在SBF溶液浸泡后的SEM和XRD图

3.4 本章小结

4 钛表面激光氮化与熔覆生物涂层

4.1 引言

4.2.1 钛表面预处理

4.2.2 钛表面激光氮化

4.2.3 生物玻璃制备

4.2.4 旋涂

4.2.5 激光熔覆

4.3.1 钛表面预处理对激光氮化的影响

4.3.2 激光功率对氮化钛形成的影响

4.3.3 激光速率对氮化钛形成的影响

4.3.4 氮化钛截面微观形貌

4.3.5 激光氮化后试样的耐腐蚀性

4.3.6 激光氮化对熔覆生物涂层的影响

4.3.7 钛表面氮化后熔覆生物涂层截面微观形貌与能谱分析

4.4 本章小结

5 激光熔覆制备钛表面生物抗菌涂层

5.1 引言

5.2.1 生物玻璃的制备

5.2.2 钛表面喷砂处理

5.2.3 纳米银溶胶的制备

5.2.4 旋涂

5.2.5 激光熔覆

5.2.6 抗菌测试

5.3结果与讨论

5.3.1 喷砂处理对激光熔覆生物涂层微观形貌影响

5.3.2 抗菌生物涂层XRD图谱

5.3.3 不同钛含量涂层SEM图

5.3.4 不同钛含量涂层结合强度

5.3.5 激光熔覆梯度涂层SEM图

5.3.6 钛瓷结合界面能谱分析

5.3.7 抗菌生物涂层在SBF浸泡后的SEM和EDS分析

5.3.8 不同银含量涂层SEM和EDS分析

5.3.9生物梯度涂层抗菌性能测试

5.4 本章小结

结论

展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

学位论文数据集