一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料及其制备方法，通过在碳基材料表面镀制掺M(M为Cu和/或Ag)类金刚石复合涂层，能够有效降低碳基材料表面摩擦系数，提高其耐磨性，可以有效改善碳基材料在植入人体后由于摩擦掉粉导致的人体不良反应，同时能够提高碳基材料的生物相容性，且掺入Cu和/或Ag元素可以提高碳基材料表面涂层的抗菌性。以提高碳基材料表面涂层的抗菌性。以提高碳基材料表面涂层的抗菌性。

【技术实现步骤摘要】
一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种表面改性碳基材料，具体涉及一种表面镀制掺M(M为Cu和/或Ag)类金刚石复合涂层的碳基材料，还涉及其制备方法，属于生物医用材料制备


技术介绍

[0002]碳材料具有很好的生物相容性，其中碳纤维、热解碳、碳纳米管及其复合材料等在心脏瓣膜、骨骼、生长支架、肿瘤药物、生物传感器等方面得到应用。特别是以碳纤维及其织物等为增强体的碳基材料具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好、可设计性强、具有一定的塑性等特点，被视为制备人工植入物的理想材料。然而，碳基材料在临床应用中也存在着一些不足。该材料表面因磨损脱落的颗粒会被周围巨噬细胞或淋巴细胞所吸收，虽然不会损害周边组织的功能，但还是会引起组织的炎症反应，且一些较大的剥落颗粒会随体液流动，在体表沉积，形成“黑肤效应”，影响美观。碳基材料虽为惰性材料，但其多孔的特性，容易在使用过程携带细菌进入人体组织导致炎症的风险。因此，提高碳基材料的表面耐磨性和抗菌能力，有利于其在生物医用领域进一步推广应用。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术的第一个目的是在于提供一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料，该表面改性碳基材料通过在碳基材料表面镀制掺M(M为Cu和/或Ag)类金刚石复合涂层，能够有效降低碳基材料表面摩擦系数，提高其耐磨性，可以有效改善碳基材料在植入人体后由于摩擦掉粉导致的人体不良反应，同时能够提高碳基材料的生物相容性，且掺入Cu和/或Ag元素可以提高碳基材料表面涂层的抗菌性。
[0004]本专利技术的另一个目的是在于提供一种表面改性碳基材料的制备方法，该方法通过非平衡中频磁控溅射法和直流弧光PECVD相结合的方法来制备掺M(M为Cu和/或Ag)类金刚石复合涂层，方法操作简单，容易精确控制，有利于工业化生产。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料，其是在碳基材料基底表面镀有掺M类金刚石复合涂层；M为Cu和/或Ag；所述掺M类金刚石复合涂层由多个周期膜层组成；所述周期膜层由硅过渡膜层和掺M类金刚石膜层叠加构成。
[0006]本专利技术通过在碳基材料表面镀制的掺M(M为Cu和/或Ag)类金刚石复合涂层，掺M类金刚石复合涂层与碳基材料之间结合较好，能够有效降低碳基材料表面摩擦系数，提高碳基材料的耐磨性能，改善碳基材料在植入人体后由于摩擦掉粉导致的人体不良反应，同时掺M类金刚石复合涂层赋予了碳基材料表面良好的生物相容性，同时掺入Cu和Ag金属元素的掺入可以提高复合涂层的抗菌性，减少植入者受感染的风险。
[0007]本专利技术的掺M类金刚石复合涂层由多个硅过渡膜层和掺M类金刚石膜层叠加构成的周期膜层组成，其包含的掺M类金刚石膜层中掺入的Cu和/或Ag元素作为杀菌功能元素引入，且Cu和/或Ag元素与Si过渡层中的原子结合更加紧密，而Si过渡层主要是用于增强掺M类金刚石膜层与碳基材料基体的结合力，降低了整个类金刚石涂层的内应力，从而将硅过
渡膜层和掺M类金刚石膜层叠加镀制，可以获得抗磨损性以及附着力较好的掺M类金刚石复合涂层。
[0008]作为一个优选的方案，所述掺M类金刚石复合涂层由2～12个周期膜层组成。如果周期膜层太少则难以达到提高碳基材料表面耐磨性能和硬度的目的，如果周期膜层过多则会降低复合涂层与碳基材料基体之间的结合能力，造成涂层更易剥落。
[0009]作为一个优选的方案，所述掺M类金刚石复合涂层中每个周期膜层的厚度为0.2～4μm，每个硅过渡层的厚度为0.1～2μm。硅过渡层厚度过低或掺M类金刚石膜层厚度过高会影响掺M类金刚石膜层与碳基材料基体之间的结合能力，而硅过渡层厚度过厚或掺M类金刚石膜层的厚度过低会影响其耐磨性能。
[0010]作为一个优选的方案，所述掺M类金刚石复合涂层中M质量百分比含量为0.5～20％。适当增加M元素的掺杂量可以改善掺M类金刚石复合涂层与碳基材料的结合力，但是掺杂M(Cu和/或Ag)元素比例过高对人体有害，会造成M元素中毒，掺杂M元素过低则不具有杀菌性能，且无法有效提升基体的生物相容性以及机械性能。
[0011]本专利技术还提供了一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料的制备方法，该方法是对碳基材料进行表面清洁处理后，在其表面交替镀制硅过渡膜层和掺M类金刚石膜层。
[0012]作为一个优选的方案，所述表面清洁处理过程为：依次采用水和乙醇对碳基材料基体进行超声洗涤，超声洗涤的温度为20～32℃，时间均为10～30min，洗涤完成后进行烘干。经过有超声辅助溶剂洗涤，能够有效去除碳基材料表面的污渍，有利于提高后续镀制的膜层与基体之间的结合能力。水优选为纯化水，如去离子水，乙醇优选为无水乙醇。
[0013]作为一个优选的方案，所述硅过渡膜层通过非平衡中频磁控溅射法镀制，镀制硅过渡膜层的条件为：Ar气流量为60～100sccm，Si靶功率0.5～3kW，真空度为1.0
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‑1Pa，离子源功率为0.5～2kW，工件负偏压电压为50～400V，镀膜时间为10～80min。非平衡磁控溅射制备硅膜层过程中能够控制温度低于200℃，形成的镀膜层更为致密有利于提高镀制的膜层与基体之间的结合。
[0014]作为一个优选的方案，所述掺M类金刚石膜层通过非平衡中频磁控溅射与直流弧光PECVD相结合方法镀制，镀制掺硅类金刚石膜层的条件为：Ar气流量为20～100sccm，气体碳源流量为10～100sccm，真空度为1.0
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‑1Pa，离子源功率为0.5～3kW，Cu和/或Ag靶功率为0.1～1.0kW，Cu和/或Ag靶纯度不低于99.9wt％，工件负偏压电压为50～600V，镀膜时间为30～540min。本专利技术通过采用非平衡中频磁控溅射与直流弧光PECVD相结合方法镀制掺M类金刚石膜层，可以在不改变类金刚石膜层制备工艺参数的条件下更好的控制掺入M元素的含量，稳定的将M元素的含量控制在提升膜层性能最有效的区间0.5～20％。优选的气体碳源如乙炔。
[0015]本专利技术的碳基材料基体例如常见的碳纤维增强热解碳和/或碳化硅复合材料。
[0016]本专利技术的表面改性碳基材料的具体制备方法：
[0017]1、对碳基材料进行清洗，清洗步骤：先后采用纯化水和乙醇对碳基材料进行超声清洗，清洗温度均为20～32℃，清洗时间均为20～30min，清洗完后进行烘干待用。
[0018]2、制备掺M(Cu和/或Ag)类金刚石复合涂层；将清洗后的碳基材料置于非平衡中频磁控溅射以及直流弧光PECVD相结合的镀膜设备中，抽真空至工作真空度，具体镀膜过程如下：
[0019]A.离子清洗工件：向真空室内通入Ar气，气体流量为50～120sccm，真空度为4.0
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‑1～7.0<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料，其特征在于：在碳基材料基底表面镀有掺M类金刚石复合涂层；M为Cu和/或Ag；所述掺M类金刚石复合涂层由多个周期膜层组成；所述周期膜层由硅过渡膜层和掺M类金刚石膜层叠加构成。2.根据权利要求1所述的一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料，其特征在于：所述掺M类金刚石复合涂层由2～12个周期膜层组成。3.根据权利要求1或2所述的一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料，其特征在于：所述掺M类金刚石复合涂层中每个周期膜层的厚度为0.2～4μm，每个硅过渡层的厚度为0.1～2μm。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料，其特征在于：所述掺M类金刚石复合涂层中M质量百分比含量为0.5～20％。5.权利要求1～4任一项所述的一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料的制备方法，其特征在于：对碳基材料进行表面清洁处理后，在其表面交替镀制硅过渡膜层和掺M类金刚石膜层。6.根据权利要求5所述的一种表面耐磨和具有杀菌功能的碳基材料的制备方法，其特征在于：所述表面清洁处理过程为：依次采用水和乙醇对碳基材料基体进行超声洗涤，超声洗涤的温度均为20～32℃，时间均为10～30...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭周建，张翔，王玲，刘波，蔡志霞，
申请(专利权)人：湖南碳康生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：