人工股骨头表面硅碳氮薄膜生长特性及其摩擦学性能研究

发布时间：2019-10-15 12:53

【摘要】：人工关节置换可以达到矫正畸形，重塑关节功能，使原来病损即结构失效的关节能够恢复正常的目的。无菌松动是限制人工关节在体内服役寿命和安全使用的主要障碍，关节失效后患者二次手术的代价不是仅仅可以用金钱来衡量的，更是给患者带来巨大的痛苦。目前在临床应用中人工关节股骨头的使用仍是以金属材质为主，通过物理或化学的手段对金属股骨头进行各种改性，提高其表面硬度和耐磨损性能是解决人工关节无菌松动与远期失效的有效手段之一。针对关节置换术后，由磨屑引起的无菌松动和骨吸收导致的人工关节失效问题，利用表面工程理论，在人工股骨头表面设计被覆一层超薄硅碳氮薄膜，控制和降低人工股骨头及对偶缓冲材料的磨损；硅碳氮薄膜质硬耐磨且具有自润滑性能，化学性能稳定，可以改善股骨头的抗腐蚀性能，从源头上降低或消除磨屑和腐蚀的发生，能够到达延长人工关节使用寿命的目的。本研究利用红外光谱（FT IR）、X Ray光电子能谱（XPS）、摩擦磨损试验机、纳米压痕等技术和其它现代分析测试手段对硅碳氮硬质薄膜的表面形貌、元素组成和薄膜厚度、粗糙度和表面能态以及机械性能等一系列材料学特征进行检测和分析。研究表明，硅碳氮薄膜被覆的人工关节配伍摩擦系数低至0.017，摩擦学评价过后硅碳氮薄膜表面没有对偶材料的粘附，表明能有效地改善了人工股骨头材料的摩擦学性能，是一类有潜质的人工股骨头保护膜层。在人工股骨头表面被覆化学性能稳定的硅碳氮薄膜，研究薄膜对其表面能态、力学性能、摩擦学性能的影响。硅碳氮的双性表面能态特性，使人工关节股骨头对植入环境胎牛血清稀释液有良好的浸润性，，且具有清洁作用，推测这有利于关节的转动灵活性；薄膜硬度在16Gpa左右，弹性模量约为180GPa，能够有效抵抗外力的刻划摩擦，且力学性能与对偶材料匹配，加之良好的润滑，降低了UHMWPE的磨损。氮气流量和离子轰击能量显著的调整了硅氮薄膜的化学结合状态，氮气流量的提高显著地加强了薄膜中Si-N键的含量；调整沉积过程中的基体负偏压，适当的轰击偏压可以促进薄膜生长，改善薄膜性能。其中，硅含量随偏压变化明显，随着基体偏压的增大（ 50V~ 200V），薄膜中的硅含量最大达到40.5%；离子轰击能量的变化显著影响薄膜的化学组成和结构，高能粒子轰击薄膜生长表面，本征态的Si Si键不断被破坏，薄膜中Si N键含量随基体偏压的提高而增加，原子排列更加紧密，键长缩小，薄膜的结构更加紧凑致密，显微硬度逐渐提高。薄膜表面光滑平整，膜基结合紧密，硬度均在12GPa以上。薄膜为非晶结构，显微硬度在 200V基体负偏压下达到最大值，通过控制基体负偏压可以调节薄膜的显微硬度和弹性模量，据此调整薄膜生长过程中的氮气分压和离子轰击能量对薄膜的性能进行“裁剪”，以满足不同领域不同材质的应用需求。在空间等离子体中Si原子/离子产额不变的情况下，真空系统中N和C等离子体活性基团的密度，是影响F:Si C N薄膜化学结构、性能的主要因素；CF4本身催化和活化性能以及刻蚀效用并存，CF4的引入有效地调整了非晶硅氮薄膜的生长体系。随着CF4流量的增加，薄膜的氟化程度逐渐加强，薄膜从硅氮为主导的结构逐渐转化为氟化硅碳氮薄膜；随着四氟化碳流量的增加，薄膜的硬度逐渐增加，从11.3GPa迅速提高到16.3GPa，这有助于提高薄膜自身抵抗外力刻划和擦伤的能力，对基体材料的保护作用加强。薄膜表面由尺寸在20nm左右的突起密密麻麻的排列生长而成，薄膜表面形成了一层极薄的厚度在纳米级别的空气层。液体或者是尺寸上大于该厚度的固体颗粒接触时，液体在自身表面张力的作用下形成球状，只能与薄膜表面的凸起形成点接触，这种独特的结构是薄膜材料在介质环境中具备独特的自清洁功能。本文所研制的硅碳氮薄膜是在亲疏水环境均能良好润湿的双性特性功能薄膜，不同离子轰击能量下沉积的非晶硅氮薄膜，是一种高色散的薄膜，在表面能的色散分量和极性分量中，色散分量占很大的比例；随着四氟化碳流量的增加，薄膜表面能的极性分量逐渐超过色散分量，极性分量与色散分量的比值迅速上升到1.5。硅碳氮薄膜的具有亲疏水双性特征的功能材料，在FBS中表面得到良好的浸润，其润滑特性是一种流体力学润滑；摩擦化学反应产物溶于水，并吸附在摩擦副的界面，形成超平坦接触膜，起到良好的润滑效果；氮气分压和氟碳掺杂过程，显著的调整了薄膜化学结合状态，薄膜中的化学键组成不断变化，硅碳氮薄膜的表面能态也随之改变，表面能的极性分量和色散分量比值在0.55 0.77之间时，薄膜表面能够显著抑制血小板的粘附激活反应。
【图文】：

示意图,晶体结构,晶胞常数,示意图

华南理工大学博士学位论文按ABCDABCD……排列成六方结构（如图l.1（a）所示），空间群为P31C，其晶胞常数为：a=0.775~0.777 nm，c=0.516~0.569 nm。β相Si3N4（β Si3N4）的每个单位晶胞中有两个分子(晶胞组成为Si6N8)，在结构上按ABABAB……堆积成六方结构（如图 1.1（b）所示），空间群为P63/m，其晶胞常数a=0.759~0.761 nm，c=0.271~0.292 nm。

电子运动轨迹,磁控溅射靶,磁控管,磁场

华南理工大学博士学位论文12图1-2 磁控管工作原理及磁控溅射靶材表面的磁场和电子运动轨迹[82]Fig.1-2 Principle of balanced magnetron spuutering如图1-2所示，磁控溅射在二极溅射的基础上以增加磁场来改变电子的运动方向，束缚和延长电子运动轨迹，形成高密度等离子体的异常辉光放电，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量。二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用，以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区域中电离出大量的Ar+用来轰击靶材，从而具有磁控溅射沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，e1的能量逐渐降低并远离靶面，低能电子e1将沿着磁力线来回振荡。电子能量将耗尽时，在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子能量很低
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.08

【参考文献】