titib2仿生多层膜的力学性能
毕业设计说明书(论文)中文
毕业设计说明书(论文)中文
本文根据贝壳珍珠层的结构特点，以TC4和Si片为基体，以Ti为插入层，对TiB2薄膜进行仿生增韧处理，采用磁控溅射法制备Ti/TiB2纳米结构多层膜，研究了调制比对硬度、弹性模量、膜基结合力和断裂韧性的影响。通过扫描电镜和XRD分析薄膜的表面形貌和相结构，采用纳米压痕仪测定了多层膜的硬度和弹性模量，采用划痕法测量多层膜与基体的结合力，通过维氏压痕法研究多层膜的断裂韧性。结果表明：随着调制比的增大，Ti/TiB2多层膜的硬度和弹性模量逐渐提高，薄膜的结合力呈先增大后减小的趋势，沉积在两种不同基体上的薄膜的断裂韧性均呈先增大后减小的趋势，但沉积在TC4基体上的薄膜的断裂韧性明显高于沉积在Si基体上的薄膜的断裂韧性。
关键词 TC4，磁控溅射，Ti/TiB2多层膜，硬度，断裂韧性
目 录
1引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 医用钛合金的概述............................................1
1.3 TiB2薄膜的概述............................3
1.4 Ti/Tib2仿生多层膜的研究现状...........................................................................4
1.5 薄膜的表征方法....................................................................................................5
1.6 本课题的意义 6
1.7 本课题的研究内容与方法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
7
2 Ti/TiB2仿生多层膜的制备与表征 8
2.1 薄膜的制备与表征方法 8
2.2 薄膜的组织形貌 12
2.3 薄膜的结构 13
3 Ti/TiB2仿生多层膜的力学性能 14
3.1 调制比对硬度及弹性模量的影响 14
3.2 调制比对结合力的影响 15
3.3 调制比对断裂韧性的影响 15
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 课题背景
随着我国进入老年化社会和意外伤害的增加，人工关节的需求量激增，其中，膝关节和髋关节的置换量约占到全部人工关节的90%以上[1-2]。目前，常用于制作人工关节的材料主要有金属材料、高分子材料和陶瓷材料[3]。其中，钛及其合金因为弹性模量低、比强度高、耐蚀性和生物相容性优等特点而被广泛用应用于临床医学，如医学上常用的钛合金Ti6Al4V(TC4)[1-4]。医用TC4合金虽然被广泛应用，但其自身的缺陷还是很明显，它的有些性能还需提高。比如，从临床应用病例中发现，医用TC4合金在人体内的耐蚀性和生物相容性都不算很好，TC4合金在人体内会析出极微量的钒和铝离子，使细胞的适应性降低且有可能对人体造成危害，TC4合金的这种缺陷严重限制了其在医学领域的应用，这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性钛合金TC4合金，将其用于矫形术。因此研究钛合金表面改性以提高其在人体中的生物相容性及耐蚀性具有重要意义。
目前，可以用来提高钛合金的生物相容性和耐腐蚀性等性能的表面处理方法有很多，比如：化学热处理方法中的渗碳、渗氮、渗硼、渗氧等；电化学方法中的电镀、微弧氧化、化学镀等；以及物理表面改性方法中的离子注入、磁控溅射、射频溅射、多弧离子镀、离子束辅助沉积等。其中，以真空磁控溅射沉积所得的薄膜的优点有：膜层致密、膜基结合力好等，所以磁控溅射法被广泛应用于钛合金的表面改性。
近年来，新一代金属陶瓷薄膜——二硼化钛(TiB2)以其优异的耐蚀性、生物相容性以及较好摩擦学特性引起了新材料领域学者的关注[5]。TiB2薄膜是一种硬度接近金刚石的超硬陶瓷膜，它具有高熔点、高电导率和热导率、耐高温氧化及抗腐蚀力强等一系列优异的理化性能，且耐磨性能好，抗震能力又优于一般氧化物陶瓷，故可用其对TC4钛合金进行表面改性，以提高钛合金的性能和延长其使用寿命。
1.2 医用钛合金的概述
1.2.1 医用钛合金的特点与种类
生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能的具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。生物医用材料对于探索人类生命奥秘、保障人类健康长寿做出更大贡献。钛合金是20世纪中期发展起来的一种重要金属,由于其具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好以及优异的生物相容性[6]等优良性能,被广泛应用于航空航天、军工和化工等领域。自从20世60年代Branemark将钛合金用做口腔种植体后,钛合金便结束了单一作为航天材料的历史,开始在生物医用材料领域得到广泛的发展和应用[7]。因为钛及钛合金具有较低的弹性模量、很好的耐腐蚀性和良好的生物相容性等优异特点,所以钛及钛合金成为生物医用材料的首选。
金属钛具有两种同素异形态：低温(<882.5℃)稳定态为α型，密排六方晶系；高温稳定态为β型，体心立方晶系。两种同素异形态转化温度为882.5℃。钛合金按亚稳态相组成可分为α、近α、(α+β)、近β、亚稳态β和β型钛合金。从这个意义上，钛的合金化元素分为3类：(1) α相稳定元素，如：Al、O、N、C、B等；(2) β相稳定元素，如：Mo、V、Nb、Ta、Fe、W、Cr、Ni、Si、Co、Mn、H等；(3) 中性元素，如：Zr、Sn等。α和近α型钛合金作为生物医用材料应用时显示出优越的耐腐蚀性能。相反，α+β型钛合金由于存在α和β两相而显示出较高的强度。材料的性能取决于组成α和β两相的相对比例、热处理和机械处理条件。β钛合金具有高强度、好的成形性和高淬透性，β型钛合金还有独特的性能：具有低弹性模量和优越的耐腐蚀性能[8]。
1.2.2 医用钛合金的发展过程
医用钛及钛合金的发展经历了3个时代：第一个时代是α型，以纯钛和Ti6Al4V为代表；第二个时代是α+β型，以Ti5Al2.5Fe和Ti6Al7Nb为代表；第三个时代是目前正在研制开发的生物相性更好、弹性模量更低的β型钛合金时代。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金都可以作为人体植入物的主要金属材料，但由于不锈钢和钴基合金在人体环境内比较容易发生腐蚀，溶出Ni、Cr和Co元素，对人体有毒副作用。另外，不锈钢和钴基合金的弹性模量比人体骨高很多，不锈钢的弹性模量约为210 GPa，钴基合金的弹性模量约240 GPa，远高于人体骨约为20~30 GPa的弹性模量，所以它们都没有被广泛应用到医学领域中。而钛及钛合金有着与人体骨相近的弹性模量、良好的生物相容性和在优良的抗腐蚀性能，使其在临床医学上得到越来越广泛的应用。
1.2.3 医用钛合金的研究现状
为提高医用钛合金的生物相容性、耐磨损及耐蚀性，人们对TC4合金表面进行改性研究，来提高TC4何静的耐腐蚀性及生物相容性。
目前，常见的表面改性方法主要有：溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、溅射法、离子注入法等。研究较多的涂层技术主要有，在钛合金表面涂覆羟基磷灰石涂层、钛酸锰、多孔钛和TiO2薄膜来提高钛合金的生物活性，除此之外还可以在钛合金表面制备硬质薄膜来提高其耐蚀性，如TiN和TiC薄膜、类金刚石薄膜、Al2O3薄膜等。
1.2.4 医用钛合金存在的主要问题
1引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 医用钛合金的概述............................................1
1.3 TiB2薄膜的概述............................3
1.4 Ti/Tib2仿生多层膜的研究现状...........................................................................4
1.5 薄膜的表征方法....................................................................................................5
1.6 本课题的意义 6
1.7 本课题的研究内容与方法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
7
2 Ti/TiB2仿生多层膜的制备与表征 8
2.1 薄膜的制备与表征方法 8
2.2 薄膜的组织形貌 12
2.3 薄膜的结构 13
3 Ti/TiB2仿生多层膜的力学性能 14
3.1 调制比对硬度及弹性模量的影响 14
3.2 调制比对结合力的影响 15
3.3 调制比对断裂韧性的影响 15
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 课题背景
随着我国进入老年化社会和意外伤害的增加，人工关节的需求量激增，其中，膝关节和髋关节的置换量约占到全部人工关节的90%以上[1-2]。目前，常用于制作人工关节的材料主要有金属材料、高分子材料和陶瓷材料[3]。其中，钛及其合金因为弹性模量低、比强度高、耐蚀性和生物相容性优等特点而被广泛用应用于临床医学，如医学上常用的钛合金Ti6Al4V(TC4)[1-4]。医用TC4合金虽然被广泛应用，但其自身的缺陷还是很明显，它的有些性能还需提高。比如，从临床应用病例中发现，医用TC4合金在人体内的耐蚀性和生物相容性都不算很好，TC4合金在人体内会析出极微量的钒和铝离子，使细胞的适应性降低且有可能对人体造成危害，TC4合金的这种缺陷严重限制了其在医学领域的应用，这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性钛合金TC4合金，将其用于矫形术。因此研究钛合金表面改性以提高其在人体中的生物相容性及耐蚀性具有重要意义。
目前，可以用来提高钛合金的生物相容性和耐腐蚀性等性能的表面处理方法有很多，比如：化学热处理方法中的渗碳、渗氮、渗硼、渗氧等；电化学方法中的电镀、微弧氧化、化学镀等；以及物理表面改性方法中的离子注入、磁控溅射、射频溅射、多弧离子镀、离子束辅助沉积等。其中，以真空磁控溅射沉积所得的薄膜的优点有：膜层致密、膜基结合力好等，所以磁控溅射法被广泛应用于钛合金的表面改性。
近年来，新一代金属陶瓷薄膜——二硼化钛(TiB2)以其优异的耐蚀性、生物相容性以及较好摩擦学特性引起了新材料领域学者的关注[5]。TiB2薄膜是一种硬度接近金刚石的超硬陶瓷膜，它具有高熔点、高电导率和热导率、耐高温氧化及抗腐蚀力强等一系列优异的理化性能，且耐磨性能好，抗震能力又优于一般氧化物陶瓷，故可用其对TC4钛合金进行表面改性，以提高钛合金的性能和延长其使用寿命。
1.2 医用钛合金的概述
1.2.1 医用钛合金的特点与种类
生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能的具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。生物医用材料对于探索人类生命奥秘、保障人类健康长寿做出更大贡献。钛合金是20世纪中期发展起来的一种重要金属,由于其具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好以及优异的生物相容性[6]等优良性能,被广泛应用于航空航天、军工和化工等领域。自从20世60年代Branemark将钛合金用做口腔种植体后,钛合金便结束了单一作为航天材料的历史,开始在生物医用材料领域得到广泛的发展和应用[7]。因为钛及钛合金具有较低的弹性模量、很好的耐腐蚀性和良好的生物相容性等优异特点,所以钛及钛合金成为生物医用材料的首选。
金属钛具有两种同素异形态：低温(<882.5℃)稳定态为α型，密排六方晶系；高温稳定态为β型，体心立方晶系。两种同素异形态转化温度为882.5℃。钛合金按亚稳态相组成可分为α、近α、(α+β)、近β、亚稳态β和β型钛合金。从这个意义上，钛的合金化元素分为3类：(1) α相稳定元素，如：Al、O、N、C、B等；(2) β相稳定元素，如：Mo、V、Nb、Ta、Fe、W、Cr、Ni、Si、Co、Mn、H等；(3) 中性元素，如：Zr、Sn等。α和近α型钛合金作为生物医用材料应用时显示出优越的耐腐蚀性能。相反，α+β型钛合金由于存在α和β两相而显示出较高的强度。材料的性能取决于组成α和β两相的相对比例、热处理和机械处理条件。β钛合金具有高强度、好的成形性和高淬透性，β型钛合金还有独特的性能：具有低弹性模量和优越的耐腐蚀性能[8]。
1.2.2 医用钛合金的发展过程
医用钛及钛合金的发展经历了3个时代：第一个时代是α型，以纯钛和Ti6Al4V为代表；第二个时代是α+β型，以Ti5Al2.5Fe和Ti6Al7Nb为代表；第三个时代是目前正在研制开发的生物相性更好、弹性模量更低的β型钛合金时代。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金都可以作为人体植入物的主要金属材料，但由于不锈钢和钴基合金在人体环境内比较容易发生腐蚀，溶出Ni、Cr和Co元素，对人体有毒副作用。另外，不锈钢和钴基合金的弹性模量比人体骨高很多，不锈钢的弹性模量约为210 GPa，钴基合金的弹性模量约240 GPa，远高于人体骨约为20~30 GPa的弹性模量，所以它们都没有被广泛应用到医学领域中。而钛及钛合金有着与人体骨相近的弹性模量、良好的生物相容性和在优良的抗腐蚀性能，使其在临床医学上得到越来越广泛的应用。
1.2.3 医用钛合金的研究现状
为提高医用钛合金的生物相容性、耐磨损及耐蚀性，人们对TC4合金表面进行改性研究，来提高TC4何静的耐腐蚀性及生物相容性。
目前，常见的表面改性方法主要有：溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、溅射法、离子注入法等。研究较多的涂层技术主要有，在钛合金表面涂覆羟基磷灰石涂层、钛酸锰、多孔钛和TiO2薄膜来提高钛合金的生物活性，除此之外还可以在钛合金表面制备硬质薄膜来提高其耐蚀性，如TiN和TiC薄膜、类金刚石薄膜、Al2O3薄膜等。
1.2.4 医用钛合金存在的主要问题
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/gfzcl/535.html
