论文部分内容阅读
Ti6Al4V钛合金具有良好的耐蚀性、生物相容性、力学性能和可加工性,是目前应用最多的金属植入材料。但是,临床研究发现,服役后的Ti6Al4V会逐渐被体液腐蚀并溶出有毒副作用的Al3+、V5+等金属离子,而且手术期间易感染细菌并诱发术后并发症。本文基于Ti6Al4V临床中出现的腐蚀和细菌感染问题,采用磁控溅射技术在Ti6Al4V表面制备掺杂铜元素的氧化钽多层涂层,并围绕涂层的微观结构、物相成分以及耐腐、抗菌等性能进行系统地研究。采用磁控溅射技术在Ti6Al4V表面制备了三种兼具耐腐和抗菌性能的掺杂铜元素的氧化钽多层涂层,即Cu-Ta2O5/Ta2O5/Ta2O5-TiO2/TiO2/Ti(简写 Cu-MTa2O5)、CuO-TaxOy/TaxOy/TaxOy-TiO2/TiO2/Ti(简写 CuO-MTaxOy)和 CujO-TaxOy/TaxOy/TaxOy-TiO2/TiO2/Ti(简写CujO-MTaxOy)。这些涂层均包含五层薄膜,其中最外层(第五层)为抗菌层,第四层起腐蚀保护作用,第三至第一层为中间层,其作用为提高涂层/基底系统的结合强度。研究了 Cu-MTa2O5多层涂层的微观结构与性能。结果表明:(1)涂层表现为非晶结构,涂层表面的晶粒大小、平均粗糙度和水接触角均随Cu掺杂量的增加而增大;(2)涂层中的Cu元素以Cu2O和CuO形式存在,Ta元素的化学价态为Ta5+;(3)Ta2O5-TiO2/TiO2/Ti复合中间层使Ti6Al4V与Ta2O5涂层之间的结合强度提高约190%;(4)随着Cu掺杂量的增加,涂层的抗菌性能增强,耐腐蚀性能呈现先降低后提高的变化趋势。探讨了氧化铜的溅射方式对N-MTaxOy(N=CuO,CujO)多层涂层微观结构与性能的影响。结果表明:(1)当射频溅射氧化铜的CuO-MTaxOy试样(代号N1)和反应溅射氧化铜的CujO-MTaxOy试样(代号N2)中Cu元素的含量分别为0.94 wt%和0.82 wt%时,N1试样表面呈疏水性,N2试样表面呈亲水性;(2)在N1和N2试样中,Cu元素分别以CuO和Cu2O的形式存在,而Ta元素都表现为Ta5+和Ta4+两种价态;(3)与N2试样相比,N1试样的H3/E2提高149%,耐腐蚀性能增强,抗菌性能降低。讨论了氧化铜的掺杂量对N-MTaxOy(N=CuO,CujO)多层涂层微观结构与性能的影响。(1)CuO-MTaxOy多层涂层的研究结果表明:①涂层呈非晶结构,表面粗糙度随CuO掺杂量的增加呈先下降后上升的变化趋势;②Ta、Cu、O和Ti元素分布于整个涂层中,涂层中的元素扩散现象显著;③随着CuO掺杂量的增加,试样的疏水性增强,耐腐蚀性能和抗菌性能提高;④TaxOy-TiO2/TiO2/Ti复合中间层使Ti6Al4V基底与TaxOy涂层之间的结合强度提高155倍;(2)CujO-MTaxOy多层涂层的研究结果表明:①涂层呈非晶结构,表面晶粒大小随着CujO含量的增加而增大;②涂层具有优异的抗菌性能,但涂层试样的耐腐蚀性能随CujO掺杂量的增加而降低。