AZ31镁合金表面掺钛DLC涂层的制备及性能研究

发布时间：2021-06-21 22:52

　　医用镁合金具有与人体骨组织相近的力学性能,并且由于镁合金在机体环境中易降解的特性,使得镁合金在骨折固定方面具有潜在的临床应用前景。然而,由于镁合金具有活泼的化学性质,特别是在有氯离子存在的人体环境下,极易发生腐蚀,导致组织还未愈合,植入材料已经发生降解。因此,若要将镁合金应用于临床,首要问题是解决其耐腐蚀性差的弊端。目的:在医用AZ31系镁合金表面溅射掺钛类金刚石（DLC）薄膜来提高镁合金的耐腐蚀性,同时对其生物相容性进行初步探讨。方法:采用微弧氧化法在医用AZ31镁合金表面制备一层疏松多孔的陶瓷涂层（MgO）,再通过磁控溅射技术在陶瓷涂层表面制备掺钛类金刚石（DLC）涂层。通过冷场发射扫描电镜（SEM）、拉曼光谱仪（Raman）和能量色散X射线光谱仪（EDS）完成对样本的表征。通过氢气收集实验、动电位极化曲线测试完成对样本耐腐蚀性能测定。同时采用细胞形态观察法和CCK-8法完成对样本细胞相容性的初步评估。结果:本实验成功在AZ31镁合金表面制备出掺钛DLC涂层,涂层表面均匀,且出现封孔现象,涂层与基材金属结合良好。耐腐蚀性结果表明,掺钛MAO/DLC组腐蚀电位是（-1.359±0.0... 

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电泳沉积过程示意图：(a)阴极电泳沉积，(b)阳极电泳沉积[15]

兰州大学硕士学位论文AZ31镁合金表面掺钛DLC涂层的制备及性能研究11放速率可以代表镁合金的腐蚀速率。所以，可以通过收集氢气释放量来评估镁合金耐腐蚀性。如图1-2所示，是一个易于收集氢气的简易装置，用来测量氢气的析出速率，这实际上检测的是负差异效果。将镁样品放入装有测试液的烧杯中，将漏斗倒置放在样品上，以确保从样品表面能收集到镁合金溶解释放的氢气，将滴定管安装在漏斗上，最初将测试液充满滴定管，随着氢气的析出，气体较液体轻，溢出的气体会随着滴定管上升排出，滴定管液面下降，这样析出的氢气体积可以通过读取测试液液面读取出来[98]。这个方法也存在一些问题，例如氢气在释放过程中，有部分气体仍然附着在试管壁上，导致我们实际收集的气体有所减校有学者Kirkland[99]指出，该方法不适合于高腐蚀或者腐蚀速率过快的金属研究，因为在短时间内没有足够的氢气来保证测量结果的可靠性。图1-2体积法氢气收集原理示意图[98]1.7医用可降解材料的性能要求可降解生物材料为制造医用植入物提供了可能，这种植入物在临床愈合时间内起到作用，等到组织痊愈，材料便会在体内自行降解，无需二次手术取出。这种可降解材料可以在聚合物、陶瓷和金属的基础上制成。这种金属预期在宿主体内以适当的方式和速率进行腐蚀，然后在完成协助组织愈合的任务后完全溶解，这些物质被称为可降解金属[100]。他们构成了一种新型生物活性材料，可支持暂时性临床问题的愈合。目前人类已经探索到的三类金属：镁、锌和铁基合金，且将这些材料应用于骨科、心血管和儿科植入材料进行了探索[101]。1.7.1金属改性后的涂层需要有良好的生物相容性

形貌和膜/基结合横截面，同时确定膜层厚度。采用能谱仪(EDS,Japan)测量膜层中元素组成及具体含量。2.4实验结果与讨论2.4.1DLC薄膜的结构图2-1显示了三组样品的拉曼光谱测定结果。利用拉曼光谱对薄膜中的SP3杂化和SP2杂化进行了表征。通常文献显示，DLC膜层的典型拉曼光谱图由1550cm-1处的G和1350cm-1处的D峰组成[24]，在图中，我们能看到DLC薄膜的拉曼光谱出现了两个明显的峰，一个在1590.17cm-1处，另一个在1375.48cm-1处。MAO的出峰范围从100cm-1到800cm-1，相比之下，我们在AZ31镁合金上成功地制备了MAO/DLC涂层。图2-1DLC膜层的拉曼光谱图2.4.2DLC薄膜表面形貌分析图2-2显示了电子显微镜（SEM）相同放大倍数下四组样品膜层的表面微观形貌。图（2-2a）是AZ31镁合金表面，图（2-2b）是DLC膜层表面，对比之下，我们可以看到镁合金表面沉积的DLC膜结构致密。R.Matsui[24]等人采用PECVD装置在不锈钢表面沉积DLC涂层，采用硬度测试仪测定其硬度为11GPa，进一步说明DLC涂层表面致密，硬度高。DLC膜层表面膜层致密，无微裂纹、微孔等缺陷，因此，可以说明使用DLC对微弧氧化预处理后的镁合金进行封孔是合适的。MAO组（图2-2c）表面形貌显示，经过微弧氧化预处理后在镁合金基体表面形成了一层疏松多孔结构，这也符合微弧氧化陶瓷层结构特征。这些微孔产生的原因是在膜层制备过程中，所生成的氧化物在等离子体作用下转变为陶瓷膜层，膜层的增厚会使得膜层抗击穿能力变强，这样制备的膜层发生击穿就变得相对比较困难，此时微弧氧化的生长速度减小，导致新生成氧化物颗粒悬浮在溶液2.3掺钛DLC膜层性能表征

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本文编号：3241578