镁/碳离子注入医用纯钛表面改性的研究

摘要

使用离子注入技术可以有效地改善医用纯钛的表面性能和生物活性，从而为医用纯钛更好地应用于临床开辟了广阔的前景。MEVVA源离子注入技术具有改性层与基体结合牢固、可添加不同离子而获得所需表面特性、可控性和重复性好以及无污染等优点，近年来受到广泛的关注。 本文利用MEVVA源强流离子注入机将能量为40和60 keV，剂量为2.0×1017ions/cm2～6.0×1017 ions/cm2的C离子和能量为90 keV，剂量为2.0×1017 ions/cm2的Mg离子，分别注入到医用纯钛中。采用表面性能测试方法对注入前后材料表面的综合性能(硬度、摩擦系数、耐磨性和耐蚀性)进行测量；利用TEM、SEM、XRD、XPS和EDS等分析手段对注入前后材料的表面形貌、注入元素的化学价态及表面物相等进行了分析;使用体外仿生法在Mg离子注入后的纯钛试样表面沉积羟基磷灰石层，以表征Mg离子注入对医用纯钛生物活性的改善作用；着重探讨了Mg离子在羟基磷灰石沉积过程中的加速作用及沉积机理。 实验结果表明，Mg离子注入后在纯钛试样表面有MgO/Mg(OH)2和Mg2TiO5生成；试样表面的力学性能(显微硬度和弹性模量)和在仿生环境中的耐腐蚀性能均有不同程度的提高；在SBF中浸泡168 h后，试样表面生成了致密的羟基磷灰石，即Mg离子注入改善了纯钛的生物活性。通过对沉积机理的探讨，表明Mg离子注入对纯钛表面沉积羟基磷灰石能力的改善是由于在浸泡过程中Mg离子从试样表层逐渐溶出，引起试样表面附近溶液局部电荷偏聚，使钙、磷离子在表面吸附形成局部钙磷含量过饱和，促使钙磷层形核。 C离子注入后纯钛试样表面形成了TiC强化相，弥散分布在试样表层；试样表面的力学性能(显微硬度和弹性模量)和抗磨损性能均有所提高，摩擦系数下降，在仿生环境中的腐蚀速度减慢，注入能量越高改性的效果越明显，但注入剂量的影响并不明显。在注入能量为60 keV、剂量为2×1017 ions/cm2时表现出最好的改性效果，此时试样表面的显微硬度和弹性模量分别提高了613％和95％：比磨损率和摩擦系数分别下降了70％和71％，虽仍表现出明显的磨粒磨损特征，但划痕变浅，粘着痕迹减少；极化阻力升高了约10倍。同Mg离子注入相比，C离子注入对纯钛试样表面力学性能和耐腐蚀性能的提高更为显著。 镁、碳离子注入后有效的改善了医用纯钛的表面综合性能，为离子注入技术在纯钛表面改性中的应用提供了有价值的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2生物医用材料

1.2.1生物医用材料的定义

1.2.2生物医用材料的基本性能要求

1.2.3生物医用材料的分类

1.2.4生物医用材料的发展与应用

1.3生物医用钛及钛合金

1.3.1钛合金的一般特性

1.3.2生物医用钛及钛合金材料的发展历程

1.3.3生物医用钛及钛合金的优点和当前存在的问题

1.4钛及钛合金的表面改性

1.4.1钛及钛合金表面改性的发展历史

1.4.2提高表面生物活性

1.4.3提高表面耐磨性

1.5离子注入技术

1.5.1离子注入技术的发展状况

1.5.2离子注入技术的特点

1.5.3离子注入表面改性机理

1.5.4离子注入技术在生物材料表面改性中的应用

1.6课题背景、研究意义及研究内容

第二章最佳离子注入工艺参数的确定

2.1引言

2.2离子注入设备简介

2.3 TRIM程序简介

2.4饱和注入剂量及相关参数的计算

2.4.1射程参数的计算

2.4.2溅射系数的计算

2.4.3饱和注入量的计算

2.5实验结果及讨论

2.5.1 TRIM模拟计算结果

2.5.2注入后的EDS分析

2.6实验工艺参数的确定

2.7本章小结

第三章注Mg纯钛表面结构、性能及磷灰石沉积动力学研究

3.1引言

3.2实验材料及方法

3.2.1实验材料

3.2.2纯钛表面的Mg离子注入

3.2.3钙磷层在Mg离子注入纯钛表面的仿生沉积

3.2.4沉积动力学实验

3.2.5显微硬度和弹性模量的测量

3.2.6耐蚀性测试

3.2.7表面分析测试方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1 Mg离子注入对纯钛试样表面的影响

3.3.2 Mg离子注入对纯钛表面钙磷沉积层的影响

3.3.3沉积动力学

3.3.4显微硬度和弹性模量

3.3.5耐蚀性

3.4本章小结

第四章注C纯钛表面结构及性能的研究

4.1引言

4.2实验材料及方法

4.2.1实验材料

4.2.2纯钛表面的C离子注入

4.2.3显微硬度和弹性模量的测量

4.2.4摩擦系数测试

4.2.5抗磨损性能测试

4.2.6耐蚀性测试

4.2.7表面分析测试方法

4.3实验结果及讨论

4.3.1 C离子注入对纯钛试样表面的影响

4.3.2耐蚀性

4.3.3显微硬度和弹性模量

4.3.4磨擦磨损性能评价

4.4本章小结

第五章全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢