医用Ti6Al4V合金表面HA及DLC/HA涂层的制备及表征

摘要

Ti6Al4V合金具有优异的生物相容性、耐蚀性和抗疲劳性能，其弹性模量与人皮质骨的弹性模量相近，作为生物医用材料受到广泛应用。然而钛合金在临床应用中，会释放对人体有害的 Al、V元素进入体液环境，从而引发一系列严重的恶性组织反应；同时Ti6Al4V合金本身不具备生物活性，与骨组织只是简单的机械结合，术后容易产生松动。羟基磷灰石具有良好的生物活性和生物相容性，可用于Ti6Al4V合金表面以提高其生物活性，可以使关节植入器件具有良好力学性能的同时，又具有良好的生物活性。然而羟基磷灰石涂层孔隙较大，无法有效抑制Al、V元素的溢出和防止体液对基体的腐蚀。本研究采用“生物惰性材料+生物活性材料”制备理念，在基体材料和活性材料间制备一层致密耐蚀的惰性DLC中间层，使之兼具良好生物活性和离子屏蔽性能，显著提高医用 Ti6Al4V合金的应用可靠性。
　　本文采用射频磁控溅射技术在Ti6Al4V合金表面制备不同工艺参数下的HA涂层。利用FTIR、XRD、SEM、AFM等分析测试技术表征工艺参数和热处理对HA涂层成分结构和显微形貌的影响，进而分析工艺参数和热处理对HA涂层的纳米力学性能、结合强度、润湿性、耐蚀性和生物降解性能的影响；得出HA涂层的最优制备工艺并在此条件下制备 DLC/HA生物复合涂层，进一步对比研究了单一 HA涂层和 DLC/HA复合涂层纳米力学性能、结合强度、润湿性、耐蚀性、耐磨性和生物降解性能的差异。
　　研究结果表明：磁控溅射制备的HA涂层结构均匀，致密，表面无缺陷。热处理能够显著提高涂层的结晶度并恢复HA涂层缺失的羟基；还可使涂层界面缺陷减少，晶粒尺寸增加，粗糙度增加，从而改善涂层的纳米力学性能和生物降解性能；也使涂层的接触角值减小到更加接近细胞粘附的角度值。负偏压的提高，可明显减小涂层的晶粒尺寸；减少涂层的表面和界面缺陷，使之与基体的结合强度变优；还引起涂层晶粒尺寸减小，涂层力学性能得到提高；负偏压升高引起的涂层表面粗糙度减小，不利于骨诱导生长，因此涂层的生物降解性能有所降低，但接触角值提高到接近细胞粘附值；涂层致密度提高，可以阻止体液的渗入，改善了其耐蚀性能。功率的改变，对涂层结晶度影响不明显；当功率为250 W时，涂层的结构和性能最优，表面颗粒粒径分布均匀，表面和界面缺陷较少；膜基结合强度最大，纳米力学性能和耐腐蚀性能最优，生物降解性能最好，经热处理后涂层的接触角值接近细胞粘附值。综合对比得出HA涂层的最优制备工艺为功率250 W、负偏压-100 V。并采用最优工艺参数在Ti6Al4V合金表面制备了DLC/HA复合涂层。
　　Raman光谱分析表明DLC过渡层sp3键和sp2键含量比值为0.88，其兼具高硬度和良好的润滑性，从 AFM图像可以看出 DLC涂层颗粒均匀、结构致密，具有较好的离子屏蔽性能。与单一HA涂层相比，DLC/HA复合涂层表现出更加优异的力学性能、结合强度、耐磨耐蚀性能和离子屏蔽性能。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义（Research Background and Significance）

1.2 Ti6Al4V合金表面改性研究现状（Research Status of Ti6Al4V Alloy’s Surface Modification）

1.3 羟基磷灰石涂层的研究现状（Research Status of HA Coatings）

1.4 DLC涂层的研究现状（Research Status of DLC Coatings）

1.5 研究目标及内容(Research Purpose and Contents)

2 涂层的制备及表征技术

2.1 涂层的制备(Coating Preparations)

2.2 涂层的表征及分析方法（ Characterization and Analysis Methods of Coatings）

3 HA涂层的表征及分析

3.1 红外吸收光谱成分分析(Composition Analysis by Infrared Absorption Spectrum)

3.2物相分析(Phase Analysis)

3.3 微观形貌分析(Micro-morphology Analysis)

3.4 本章小结(Chapter Summaries)

4 HA涂层性能分析

4.1 纳米力学性能(Nano-mechanical Properties)

4.2 结合强度(Bonding Strength)

4.3 润湿性能(Wettability)

4.4 耐腐蚀性能(Corrosion Resistances)

4.5 生物降解性能(Biodegradability)

4.6 本章小结(Chapter Summaries)

5 DLC/HA复合涂层的结构与性能分析

5.1 DLC 过渡层的结构与性能分析(Analysis of Structures and Properties of DLC Transition Coatings)

5.2 纳米力学性能(Nano-mechanical Properties)

5.3 结合强度（Bonding Strength）

5.4 耐腐蚀性(Corrosion Resistance)

5.5 生物降解性能(Biodegradability)

5.6 摩擦学性能(Tribological Properties)

5.7 本章小结(Chapter Summaries)

6结论

参考文献

作者简历

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