金刚石薄膜涂覆医用金属材料的改性研究

摘要

医用金属材料钛合金(Ti6Al4V)具有低密度、高强度、耐腐蚀等优点而应用广泛,但是耐磨性差,生物相容性也有待进一步改善;牙科钻头存在切削效率低、寿命短等不足.金刚石薄膜具有一系列的优异性能,极高硬度,低的摩擦系数,高的热导率以及良好的生物相容性等.因此该论文针对牙科钻头及钛合金在应用中存在的主要问题,如薄膜附着强度不高和耐磨性差等缺点,在牙科钻头及钛合金上沉积纳米金刚石薄膜进行改性研究.该研究在医用钛合金上沉积的金刚石薄膜,经Raman检测为纳米金刚石结构,原子力显微镜测试晶粒尺寸40nm左右,表面粗糙度(视场2μm*2μm时Ra=19nm)较低.引入氩气等离子体可以制备出表面更均匀、粗糙度更低(视场2μm*2μm时Ra=14.2nm)的纳米金刚石薄膜.经声子划痕检测和维氏硬度Ⅰ仪测定显示薄膜与基体具有良好的附着强度,其中声子划痕仪测试的临界载荷为29N,最高超过70N;维氏硬度在490N的载荷下才在角上出现少量发散状裂纹,薄膜纳米硬度约为13-15GPa.摩擦实验表明,钛合金表面沉积纳米金刚石薄膜对钛合金耐磨性改善效果明显.在SiC球为摩擦副的干摩擦实验中,2N载荷下钛合金摩擦系数一直在0.52左右,并出现大量磨屑和磨损犁沟;沉积纳米金刚石薄膜的样品后,同样条件下,摩擦系数在0.25左右,并且没有出现任何薄膜破裂或剥落,仅有少量SiC磨屑.对实验样品的生物相容性评价结果显示,实验样品的表面能数据、动态凝血时间、溶血率和血小板消耗率比钛合金基体均有较大的提高,与DLC膜水平相当,接近目前生物相容性整体性能最好的LTIC膜的水平,说明该实验对于医用钛合金的生物相容性改性效果明显.

目录

文摘

英文文摘

第一章综 述

1.1金刚石及类金刚石薄膜的性能

1.1.1金刚石及类金刚石薄膜的力学性能

1.1.2金刚石及类金刚石薄膜的生物相容性

1.2金刚石及类金刚石薄膜在医学方面的应用

1.2.1牙科钻头领域

1.2.2钛合金材料改性

1.3金刚石及类金刚石薄膜的制备方法

1.3.1化学气相沉积方法

1.3.2纳米金刚石薄膜的制备

1.4本论文设想

1.4.1硬质合金牙科钻头

1.4.2钛合金材料改性

第二章实验原理与方法

2.1实验装置

2.2实验步骤

2.2.1基体的表面预处理

2.2.2金刚石膜的沉积过程

2.3纳米金刚石薄膜的评定及结构表征

第三章硬质合金上金刚石膜的制备与表征

3.1实验方法

3.2实验结果及讨论

3.2.1常规硬质合金沉积金刚石膜后的表面形貌

3.2.2采用梯度硬质合金基体沉积金刚石薄膜的表面形貌

3.2.3钴的扩散规律

3.2.4附着强度检测

3.3本章小结

第四章钛合金上纳米金刚石薄膜的制备与表征

4.1钛合金上涂覆纳米金刚石薄膜的制备工艺——CH4-H2系统

4.1.1钛合金上金刚石形核工艺研究

4.1.2钛合金上制备金刚石膜的工艺研究

4.2纳米金刚石薄膜的制备——CH4-H2-Ar系统

4.2.1 Ar/(H2+Ar)为2.0％的样品

4.2.2 Ar/(H2+Ar)为50％的样品

4.2.3 Ar/(H2+Ar)100％的样品

4.2.4小结

4.3金刚石薄膜的检测

4.3.1激光拉曼(Raman)光谱(波长为514.5nm激光激发)

4.3.2金刚石薄膜的纳米硬度

4.3.3金刚石薄膜的附着力

4.3.4摩擦学实验

4.3.5薄膜表面能

4.3.6生物相容性评价

第五章全文总结

参考文献

攻读硕士期间发表、录用的学术文章及获奖情况

声 明

致 谢