316L不锈钢表面ZrCxN1-x涂层的构筑与性能研究

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本论文采用射频磁控溅射技术在316L不锈钢表面制备了 ZrCxN1-x涂层。采用X射线光电子谱分析、X射线衍射分析、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米硬度、划痕实验、摩擦实验、电化学实验、亲疏水性实验和血小板粘附实验研究了ZrCxN1-x惰性涂层的微观结构、相组成、力学性能、抗腐蚀性以及血液相容性,重点考察了磁控溅射工艺参数中基体温度对ZrCxN1-x涂层性能的影响。XPS结果表明:随着基体温度的升高,Zr-O和C-N键含量逐渐减少,Zr-N键的含量逐渐增多,Zr-C键和C-C键的含量变化不明显。XRD结果表明25℃和200℃下制备的ZrCxN1-x涂层均为非晶态,当基体温度升高到400℃时,ZrCxN1-x涂层由Zr2CN纳米晶粒组成。通过TEM分析结果进一步证实了基体温度为400℃时制备的ZrCxN1-x涂层经过测量由4~8nm的球状晶粒组成,晶粒大小较为均匀,其中(111)晶面可以很容易看到,而(200)晶面几乎没看到,傅里叶变换图谱中可以标记出(111)晶面,这与XRD的表征结果是一致;在选区电子衍射图谱中可以看出ZrCxN1-x涂层的电子衍射图谱为衍射环,表明了 ZrCxN1-x涂层为多晶结构,根据相机常数值并结合衍射环半径值可标记出ZrCxN1-x涂层为面心立方结构。SEM的分析结果表明在基体温度为400℃时,ZrCxN1-x涂层结构致密、形貌均匀,涂层的厚度为1.08μm左右,涂层沉积的速率约为7.2nm/min。通过AFM观察发现:基体温度对涂层的表面形貌有明显的影响,随着基体温度的升高,ZrCxN1-x涂层的表面粗糙度先是减少,然后上升。纳米压痕实验测试表明:ZrCxN1-x涂层比316L不锈钢基体具有更高的纳米硬度和弹性模量,并且随着基体温度的升高ZrCxN1-x涂层的纳米硬度和弹性模量也有所增加。划痕实验表明当基体温度的升高到200℃以上时ZrCxN1-x涂层和基体表面有很好的结合。摩擦磨损测试分析表明了不同基体温度下制备的ZrCxN1-x涂层的摩擦系数变化不大,说明基体温度对涂层的摩擦学特性没有明显的影响,磨痕形貌显示了 200℃和400℃下制备的ZrCxNx-x涂层与316L不锈钢基体有着更好的结合。电化学测试结果表明,200℃和400℃下制备的ZrCxN1-x涂层比316L不锈钢基体有更好的耐腐蚀性能。亲疏水性结果表明,通过表面改性技术可以改变316L不锈钢基体的亲疏水性,随着基体温度的升高,ZrCxN1-x涂层接触角逐渐减小;在不同基体温度下制备的ZrCxN1-x涂层,表面能的色散分量相差不大,随着基体温度的升高,涂层表面能的极性分量增加很明显,而ZrCxN1-x涂层的表面张力呈下降趋势。体外血小板粘附实验结果表明,ZrCxN1-x涂层的生物相容性优于316了不锈钢基体,随着基体温度的升高,ZrCxN1-x涂层粘附的血小板数量减少并且血小板激活程度减轻。这是涂层表面粗糙度和表面能综合影响的结果。
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