Ti6Al4V合金表面超疏水涂层的制备研究
目录
1 绪论 1
1．1 课题背景及意义 1
1．2 钛及钛合金 1
1．3 超疏水现象 4
1．4 研究内容 7
2 实验材料及方法 7
2．1 实验材料 7
2．2 实验仪器及设备 8
2．3 实验方法 9
3 膜层显微组织 12
3．1 微弧氧化电参数对膜层表面形貌的影响 12
3．2 膜层的EDS分析 15
3．3 膜层的XRD分析 16
4 膜层性能分析 17
4．1 显微维氏硬度分析 17
4．2 摩擦磨损行为分析 19
4．3 耐蚀性分析 21
4．4 润湿性分析 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
1．1 课题背景及意义
作为重要的人体植入材料，一方面钛合金与人体血液、组织、骨骼会发生直接接触；另一方面钛合金的性能与人体组织的性能有所差别，不能很好的适应人体，满足所需的长久稳定的结合。因此，为了让植入材料在人体中拥有较好的生物相容性、耐蚀抗磨性、超疏水性等，对钛合金表面进行改性处理是最基本也是最严格的要求。在植入医用材料与人体血液所接触的环境中，材料表面的生物相容性直接地影响了材料与人体组织之间的相互作用，而TiO2可以吸附较少的纤维蛋白，同时还具有很好的生物相容性，所以在钛合金表面制备TiO2膜层可显著改善合金的生物相容性。此外，对钛合金表面进行超疏水处理后可获得低溶血率的表面，进而极大的抑制血小板在其表面的粘附，从而满足血液相容性的特殊要求。因此 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
，采用微弧氧化技术在Ti-6Al-4V合金表面制备TiO2薄膜并对膜层进行超疏水处理具有重要的现实意义。
本实验研究的目的就是要采用微弧氧化技术对Ti-6Al-4V试样表面进行改性处理，获得具有良好性能的生物氧化膜，并通过低表面能物质浸泡进行超疏水处理，进一步使氧化膜达到超疏水性。
1．2 钛及钛合金
1.2.1 钛及钛合金的基本性质
Ti-6Al-4V，即TC4，在钛合金的分类中是属于(α+ β)型的，当今社会生活中正使用着的钛合金材料绝大部分是具有这样的成分的，所占比例达到50%以上，该合金于上个世纪50年代初期问世的，是由美国的一所技术研究院开发出来的[1]。Ti-6Al-4V合金强度约为1.012MPa，密度是4.4 g/cm3，其比强度大于普通合金钢，数值约为23.5。它的热导率低，弹性模量只有钢的一半，大小为110GPa[2]。相比较其他材料，Ti-6Al-4V合金得以广泛应用的重要原因是具有较好的综合性能，且组织稳定性比较好，塑、韧性、高温下变形性能皆良好，较高的高温强度，其使用温度比铝合金高的多，在400℃～500℃温度下仍能够满足所需的强度。
然而钛合金也有一些缺点：切削加工性和工艺性能不理想，在热加工时比较容易吸收一些杂质，其疏水性能差、耐磨性差、生物相容性不理想等缺陷在很大的程度上限制着Ti-6Al-4V合金的应用领域及范围。因此需要进行一些表面处理技术来减少或消除部分性能缺陷，以满足其工作环境的要求，尤其是在生物医用方面。
1.2.2 钛及钛合金的表面改性
作为植入人体材料的Ti-6Al-4V合金在生物医疗方面已得到了广泛的应用，材料表面特性也严重地制约着其在人体生物环境下的服役效果与工作能力。因此，国内外专家学者进行了大量的研究工作，并探讨了各种改性方法。目前，研究较多的表面改性方法主要有以下几种[3]。
（1） 溶胶-凝胶法
采用溶胶-凝胶法制备出来的薄膜涂层，其基本原理可以概述为是：把金属醇盐（或是无机盐）放到水或其他的有机溶剂里得以水解，水解后能形成混合均匀的溶液，在溶剂和溶质之间发生了水解(或是醇解)反应，继而形成了溶胶体系，通过缩聚反应获得凝胶。相对其它方法而言，采用溶胶-凝胶法制备的陶瓷氧化膜工艺比较简单。陶瓷薄膜属于惰性陶瓷，但因其耐摩擦磨损和耐腐蚀能力优异而得到应用。
洪海云等[4]主要是在Ti-6Al-4V合金表面进行表面改性获得Al2O3薄膜，通过在NaCl溶液中（浓度为3.5%）测量阳极极化曲线：溶胶-凝胶涂层与裸露的钛合金试样。实验研究发现，生成的Al2O3薄膜对Ti-6Al-4V合金的耐蚀性具有显著的增强作用。
（2） 离子注入法
离子注入技术就是掺杂剂的原子通过一定的手段被引入到固体中的材料改性方法。离子注入法的过程，就是在真空的环境下把 Ag、N经过高压加速的等离子照射（注入）钛合金，从而在钛合金表面形成一个具有特殊性质的TiO2氧化膜。
李晋波等[5]就是使用等离子体浸没这种离子注入技术将Ag/N两种离子，按照不同的注入顺序：先注入银后注入氮，先注入氮后注入银，注入到需要处理的试样表面。Ag/N二元离子注入钛表面的银以单质形式存在，而氮以氮化钛的形式存在。不同的Ag/N二元注入顺序对改性后钛的耐腐性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
、纳米硬度和抗菌性能均有影响[6]。Ag/N二元离子共注钛表面的耐腐性能和硬度均优于先氮后银和先银后氮注入钛表面，这是因为Ag/N二元共注导致的热效应使钛表面生成的氮化层最厚。
（3） 双层辉光等离子表面冶金技术
这种技术又称为双层辉光离子渗金属技术，在真空的环境下，利用双层辉光产生的一种放电现象，还有在其中存在的低温等离子，用这种方法得到合金化表面的一种表面改性技术。
孙晓宾等[7]就是采用这种技术进行表面改性的，在TC4合金表面渗入W-Mo，从而提高材料在高温下的耐磨性、耐蚀性，多次操作后优化了实验工艺参数，得到渗W-Mo离子的最佳工艺参数。
（4） 化学气相沉积法
这种方法（CVD）主要是利用一些气相反应，在特殊的辅助条件：高温、等离子、激光等，来控制气相反应的气体、流速、基体材料的温度等，以此来膜层的成核、生长进程，最后可以得到微纳米结构下的一种薄膜材料。用这种方法制备的膜层，相对比较致密，与基体的结合力也较好，某些条件下还可以获得一些光学、电学性能比较好的膜层。
王菁清等[8]就是利用这种技术在单晶硅上研究微纳米结构下金刚石膜的沉积工艺，对薄膜性能的影响因素有：气体配比、材料的预处理、基体材料的温度、沉积中的压强等，通过控制这些影响因素，从而优化金刚石膜的沉积工艺。在前期工作后，经过了预处理、工艺参数的调整，在TC4合金上制备出连续性的表面光滑而且致密，结合力良好的金刚石膜。
（5） 微弧氧化法
微弧氧化(MAO)，又称等离子微弧氧化、微等离子体氧化,是一种新起的表面改性技术，也是当今阳极氧化技术的多样化和双阶段氧化、脉冲阳极氧化等发展、应用的结果[9]。它是将Al、Ti、Mg 等金属及其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法使其表面产生火花放电斑点，在等离子化学、热化学和电化学共同作用下，用较高电压将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区引入到高压放电区，从而在其表面形成一层结合强度较高的陶瓷层的方法，极大地改善材料的耐腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、绝缘等性能。
1 绪论 1
1．1 课题背景及意义 1
1．2 钛及钛合金 1
1．3 超疏水现象 4
1．4 研究内容 7
2 实验材料及方法 7
2．1 实验材料 7
2．2 实验仪器及设备 8
2．3 实验方法 9
3 膜层显微组织 12
3．1 微弧氧化电参数对膜层表面形貌的影响 12
3．2 膜层的EDS分析 15
3．3 膜层的XRD分析 16
4 膜层性能分析 17
4．1 显微维氏硬度分析 17
4．2 摩擦磨损行为分析 19
4．3 耐蚀性分析 21
4．4 润湿性分析 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
1．1 课题背景及意义
作为重要的人体植入材料，一方面钛合金与人体血液、组织、骨骼会发生直接接触；另一方面钛合金的性能与人体组织的性能有所差别，不能很好的适应人体，满足所需的长久稳定的结合。因此，为了让植入材料在人体中拥有较好的生物相容性、耐蚀抗磨性、超疏水性等，对钛合金表面进行改性处理是最基本也是最严格的要求。在植入医用材料与人体血液所接触的环境中，材料表面的生物相容性直接地影响了材料与人体组织之间的相互作用，而TiO2可以吸附较少的纤维蛋白，同时还具有很好的生物相容性，所以在钛合金表面制备TiO2膜层可显著改善合金的生物相容性。此外，对钛合金表面进行超疏水处理后可获得低溶血率的表面，进而极大的抑制血小板在其表面的粘附，从而满足血液相容性的特殊要求。因此 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
，采用微弧氧化技术在Ti-6Al-4V合金表面制备TiO2薄膜并对膜层进行超疏水处理具有重要的现实意义。
本实验研究的目的就是要采用微弧氧化技术对Ti-6Al-4V试样表面进行改性处理，获得具有良好性能的生物氧化膜，并通过低表面能物质浸泡进行超疏水处理，进一步使氧化膜达到超疏水性。
1．2 钛及钛合金
1.2.1 钛及钛合金的基本性质
Ti-6Al-4V，即TC4，在钛合金的分类中是属于(α+ β)型的，当今社会生活中正使用着的钛合金材料绝大部分是具有这样的成分的，所占比例达到50%以上，该合金于上个世纪50年代初期问世的，是由美国的一所技术研究院开发出来的[1]。Ti-6Al-4V合金强度约为1.012MPa，密度是4.4 g/cm3，其比强度大于普通合金钢，数值约为23.5。它的热导率低，弹性模量只有钢的一半，大小为110GPa[2]。相比较其他材料，Ti-6Al-4V合金得以广泛应用的重要原因是具有较好的综合性能，且组织稳定性比较好，塑、韧性、高温下变形性能皆良好，较高的高温强度，其使用温度比铝合金高的多，在400℃～500℃温度下仍能够满足所需的强度。
然而钛合金也有一些缺点：切削加工性和工艺性能不理想，在热加工时比较容易吸收一些杂质，其疏水性能差、耐磨性差、生物相容性不理想等缺陷在很大的程度上限制着Ti-6Al-4V合金的应用领域及范围。因此需要进行一些表面处理技术来减少或消除部分性能缺陷，以满足其工作环境的要求，尤其是在生物医用方面。
1.2.2 钛及钛合金的表面改性
作为植入人体材料的Ti-6Al-4V合金在生物医疗方面已得到了广泛的应用，材料表面特性也严重地制约着其在人体生物环境下的服役效果与工作能力。因此，国内外专家学者进行了大量的研究工作，并探讨了各种改性方法。目前，研究较多的表面改性方法主要有以下几种[3]。
（1） 溶胶-凝胶法
采用溶胶-凝胶法制备出来的薄膜涂层，其基本原理可以概述为是：把金属醇盐（或是无机盐）放到水或其他的有机溶剂里得以水解，水解后能形成混合均匀的溶液，在溶剂和溶质之间发生了水解(或是醇解)反应，继而形成了溶胶体系，通过缩聚反应获得凝胶。相对其它方法而言，采用溶胶-凝胶法制备的陶瓷氧化膜工艺比较简单。陶瓷薄膜属于惰性陶瓷，但因其耐摩擦磨损和耐腐蚀能力优异而得到应用。
洪海云等[4]主要是在Ti-6Al-4V合金表面进行表面改性获得Al2O3薄膜，通过在NaCl溶液中（浓度为3.5%）测量阳极极化曲线：溶胶-凝胶涂层与裸露的钛合金试样。实验研究发现，生成的Al2O3薄膜对Ti-6Al-4V合金的耐蚀性具有显著的增强作用。
（2） 离子注入法
离子注入技术就是掺杂剂的原子通过一定的手段被引入到固体中的材料改性方法。离子注入法的过程，就是在真空的环境下把 Ag、N经过高压加速的等离子照射（注入）钛合金，从而在钛合金表面形成一个具有特殊性质的TiO2氧化膜。
李晋波等[5]就是使用等离子体浸没这种离子注入技术将Ag/N两种离子，按照不同的注入顺序：先注入银后注入氮，先注入氮后注入银，注入到需要处理的试样表面。Ag/N二元离子注入钛表面的银以单质形式存在，而氮以氮化钛的形式存在。不同的Ag/N二元注入顺序对改性后钛的耐腐性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
、纳米硬度和抗菌性能均有影响[6]。Ag/N二元离子共注钛表面的耐腐性能和硬度均优于先氮后银和先银后氮注入钛表面，这是因为Ag/N二元共注导致的热效应使钛表面生成的氮化层最厚。
（3） 双层辉光等离子表面冶金技术
这种技术又称为双层辉光离子渗金属技术，在真空的环境下，利用双层辉光产生的一种放电现象，还有在其中存在的低温等离子，用这种方法得到合金化表面的一种表面改性技术。
孙晓宾等[7]就是采用这种技术进行表面改性的，在TC4合金表面渗入W-Mo，从而提高材料在高温下的耐磨性、耐蚀性，多次操作后优化了实验工艺参数，得到渗W-Mo离子的最佳工艺参数。
（4） 化学气相沉积法
这种方法（CVD）主要是利用一些气相反应，在特殊的辅助条件：高温、等离子、激光等，来控制气相反应的气体、流速、基体材料的温度等，以此来膜层的成核、生长进程，最后可以得到微纳米结构下的一种薄膜材料。用这种方法制备的膜层，相对比较致密，与基体的结合力也较好，某些条件下还可以获得一些光学、电学性能比较好的膜层。
王菁清等[8]就是利用这种技术在单晶硅上研究微纳米结构下金刚石膜的沉积工艺，对薄膜性能的影响因素有：气体配比、材料的预处理、基体材料的温度、沉积中的压强等，通过控制这些影响因素，从而优化金刚石膜的沉积工艺。在前期工作后，经过了预处理、工艺参数的调整，在TC4合金上制备出连续性的表面光滑而且致密，结合力良好的金刚石膜。
（5） 微弧氧化法
微弧氧化(MAO)，又称等离子微弧氧化、微等离子体氧化,是一种新起的表面改性技术，也是当今阳极氧化技术的多样化和双阶段氧化、脉冲阳极氧化等发展、应用的结果[9]。它是将Al、Ti、Mg 等金属及其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法使其表面产生火花放电斑点，在等离子化学、热化学和电化学共同作用下，用较高电压将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区引入到高压放电区，从而在其表面形成一层结合强度较高的陶瓷层的方法，极大地改善材料的耐腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、绝缘等性能。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/438.html
