超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的非晶碳基涂层改性及其摩擦学性能

摘要

近几十年来，非晶碳(a-C)膜因其优良的机械性能、耐摩擦磨损性能以及良好的生物相容性获得了大量的研究，并广泛应用于机械、航天军工、生物医学等领域。但是本征非晶碳膜较高的内应力限制了膜厚度的提升并损害了膜-基之间的结合力。本文通过在基体与非晶碳膜之间构筑过渡层以及采用元素掺杂的方法来降低非晶碳膜的内应力，并研究了薄膜微观组织结构与宏观机械性能之间的变化规律和内在机理。
　　超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由非极性分子构成，较低的表面能以及分子的惰性限制了其与非晶碳膜之间结合力的提升，进而束缚了其在很多领域的应用。本文通过等离子体处理对超高分子量聚乙烯进行了表面改性，并研究了等离子体改性后UHMWPE在表面形貌、接触角、表面硬度、摩擦系数等方面发生的改变。
　　采用非平衡磁控溅射设备在经过等离子体改性处理后的UHMWPE表面制备出厚度约900 nm的非晶碳膜，相较于超高分子量聚乙烯基体，镀膜后表面硬度从47 MPa提升到了720 MPa，1N载荷下在小牛血清溶液中的磨损率从9.82×10-15 m3N-1 m-1下降到了4.78×10-15 m3 N-1 m-1，此外，通过对比试验发现，相较于没有过渡层的薄膜，具备过渡层的非晶碳膜展现了更好的膜基协调变形能力和更高的承载能力。
　　通过控制基体距离碳靶和钼靶之间的距离，采用非平衡磁控溅射设备在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体表面制备了不同钼含量的掺杂非晶碳膜（钼原子含量比:5.5％，8.6％，29.6％，2.7％），研究发现，不同的掺杂比例会深刻影响表面的形貌，同时，低比例掺杂和高比例掺杂都具备较高的硬度和较低的摩擦系数，但是低比例掺杂具备更优异的耐磨损性能。2.7％钼掺杂的非晶碳膜硬度、摩擦系数以及0.2 N载荷下在小牛血清溶液中的磨损率分别为:0.95 GPa、0.035和1.39×10-14 m3 N-1 m-1，具备最优异的综合性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 非晶碳薄膜的结构

1．3 非晶碳薄膜的制备方法

1．3．1 磁控溅射(Magnetron Sputtering)

1．3．2 离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposition，IBAD)

1．3．3 飞秒脉冲激光沉积(Femtosecond Pulsed Laser Deposition)

1．3．4 活性反应蒸镀(Activated Reactive Evaporation，ARE)

1．4 非晶碳薄膜的性能与应用

1．4．1 非晶碳薄膜的机械性能与应用

1．4．2 非晶碳薄膜的生物相容性与生物医学应用

1．5 非晶碳薄膜的缺点及改性

1．5．1 非晶碳薄膜的缺点

1．5．2 非晶碳薄膜的改性

1．6 超商分子量聚乙烯(UHMWPE)的缺点及改性

1．6．1 超高分子量聚乙烯的缺点

1．6．2 超高分子量聚乙烯的改性

1．7 现有改性方法的不足以及本文所采用的改性方法

1．8 本文选题依据及主要研究内容

第二章 实验方法

2．1 基体处理

2．1．1 基体准备

2．1．2 基体清洗

2．2 薄膜制备

2．2．1 磁控溅射设备

2．2．2 磁控溅射镀膜过程

2．3 薄膜组织结构分析方法

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 原子力显徼镜(AFM)

2．3．3 台阶仪(Stylus Profilometer)

2．3．4 椭圆偏振光谱仪(Spectroscopic Ellipsometry)

2．3．5 接触角测量仪(Contact Angle)

2．3．6 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．7 拉曼光谱(Raman)

2．4 薄膜机械性能分析方法

2．4．1 纳米压痕测试

2．4．2 摩擦磨损测试

2．4．3 界面结合力测试

第三章 含过渡层非晶碳复合薄膜的结构与性能

3．1 引言

3．2 含过渡层非晶碳复合薄膜的制备

3．3 含过渡层非晶碳复合薄膜的组织结构

3．4 含过渡层非晶碳复合薄膜的力学性能

3．5 含过渡层非晶碳复合薄膜的摩擦学性能

3．6 本章小结

第四章 钼掺杂非晶碳复合薄膜的机械与摩擦学性能

4．1 引言

4．2 UHMWPE基体表面涂层开裂的初步研究

4．3 钼掺杂非晶碳复合薄膜的制备

4．4 钼掺杂非晶碳复合薄膜的表面形貌和摩擦系数

4．5 钼掺杂非晶碳复合薄膜的硬度和磨损率

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文与其它研究成果