一种表面耐磨和低生物毒性的TC4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低生物毒性的TC4材料及其制备方法。通过在TC4基体表面镀有由N层硅过渡膜层和N层掺硅类金刚石膜层交替叠加构成掺硅类金刚石复合涂层，能够有效降低TC4材料的表面摩擦系数，提高其耐磨性及硬度，并有效降低植入人体后TC4材料中Al和V元素的释放，从而显著提高TC4材料的生物相容性，且掺Si类金刚石复合涂层与TC4材料的结合力高，稳定性好，延长其使用寿命。延长其使用寿命。延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种TC4材料，具体涉及一种表面镀制掺Si类金刚石复合涂层的TC4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]TC4(Ti6Al4V)具有较高的比强度、理想的疲劳强度、抗蚀性、低弹性模量、优良的成型性和生物相容性，被广泛应用于生物医学领域。
[0003]尽管TC4拥有许多的优异性能，但在医学应用上，TC4还有许多不足，TC4生物惰性，且耐磨性能较差，容易引发细菌感染，导致植入失败。TC4在长期植入人体中，会渗漏出Al和V元素，引起细胞毒性。TC4的缺点是机械强度低，容易出现断裂、松脱等并发症。
[0004]如果在TC4表面采用适当的生物涂层，可以提高其生物相容性，现有技术中主要采用阳极氧化和微弧氧化在钛合金表面制备的膜层，但是这些膜层含有大量的微孔、裂纹，且摩擦过程中易剥落。而类金刚石涂层具有良好的致密性、耐腐蚀性能好、化学稳定性好等优点，但现有技术在TC4材质上制备类金刚石涂层面临涂层内应力大、韧性差，在实际使用中出现涂层剥离、开裂等问题。

技术实现思路

[0005]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低生物毒性的TC4材料，该TC4材料通过在其表面镀制掺Si类金刚石复合涂层，能够有效降低TC4材料的表面摩擦系数，提高其耐磨性及硬度，并有效降低植入人体后TC4材料中Al和V元素的释放，从而显著提高TC4材料的生物相容性，且掺Si类金刚石复合涂层与TC4材料的结合力高，稳定性好，延长其使用寿命。
[0006]本专利技术的另一个目的是在于提供一种表面耐磨和低生物毒性的TC4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硅类金刚石复合涂层，具有操作简单，容易精确控制等优点，有利于工业化生产。
[0007]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低生物毒性的TC4材料，其是在TC4基体表面镀有掺硅类金刚石复合涂层；所述掺硅类金刚石复合涂层由N层硅过渡膜层和N层掺硅类金刚石膜层交替叠加构成；其中，N为大于或等于1的整数。
[0008]本专利技术的TC4材料表面镀制掺硅类金刚石复合涂层，相对于现有的类金刚石涂层通过引入适量的硅元素可以有效改善类金刚石膜的综合性能，如改善类金刚石膜层的生物相容性和摩擦性能及硬度，而通过硅过渡层与掺硅类金刚石膜层进行交叠镀制，在类金刚石涂层中掺入的Si元素与Si过渡层中的原子结合更加紧密，降低了整个类金刚石涂层的内应力，极大地提高了整个复合涂层与基体之间的结合力。同时掺硅类金刚石复合涂层可有效阻止TC4材料中Al和V元素在人体中的渗出，促进细胞黏附、增殖，降低TC4材料表面的摩擦力等多重功效，避免由于生理环境对TC4材料表面的腐蚀而造成其晶界离子向周围组织扩散，从而导致植入材料自身性质的退变。
[0009]作为一个优选的方案，所述掺硅类金刚石复合涂层由2～10层硅过渡膜层和2～10层掺硅类金刚石膜层交替叠加构成。所述掺硅类金刚石复合涂层进一步优选由3～5层硅过渡膜层和3～5层掺硅类金刚石膜层交替叠加构成。如果膜层太少则难以达到提高TC4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TC4材料基体之间的结合能力，造成涂层更易剥落。
[0010]作为一个优选的方案，所述掺硅类金刚石复合涂层中各层硅过渡层的厚度均在0.1～1.5μm范围内，各层掺硅类金刚石膜层的厚度均在0.3～3.5μm范围内。硅过渡膜层厚度过低或掺硅类金刚石膜层厚度过厚会降低掺硅类金刚石膜层与TC4材料的结合能力，而硅过渡膜层厚度过厚或掺硅类金刚石膜层的厚度过低会降低硬度和耐磨性能等。
[0011]本专利技术通过对各膜层的厚度以及叠加膜层的层数进行优选调控，可以有效增强涂层的抗磨损性能、硬度以及附着力。
[0012]作为一个优选的方案，所述掺硅类金刚石复合涂层中各掺硅类金刚石膜层的硅掺杂量由内层至外层梯度递减。对各层掺硅类金刚石膜层中的硅掺杂量进行由内层至外层的递减，可以在有效提高整个复合涂层与TC4材料基体之间结合力的同时更好地提高最外层的掺硅类金刚石膜层的生物相容性。
[0013]作为一个优选的方案，所述掺硅类金刚石复合涂层中硅的总质量百分比含量为2～40％，最外层掺硅类金刚石膜层中硅质量百分比含量不高于10％。硅掺杂量在适当的范围内增加可以有效提高复合涂层与TC4材料基体之间的结合力，而最外层掺硅类金刚石膜层中钛质量百分含量高于10％时，其生物相容性会有所下降，因此整个掺硅类金刚石复合涂层及表面掺硅类金刚石膜层的硅含量应当控制在适当范围内。
[0014]本专利技术还提供了一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料的制备方法，该方法是对TC4基体进行表面清洁处理后，在其表面交替镀制硅过渡膜层和掺硅类金刚石膜层。
[0015]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TC4基体进行超声洗涤，超声洗涤的温度均为20～32℃，时间均为10～30min，洗涤完成进行烘干。经过超声辅助溶剂洗涤，能够有效去除TC4基体表面的污渍，有利于提高后续镀制的膜层与TC4基体之间的结合能力。
[0016]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，真空度为1.0
×
10
‑1～4.0
×
10
‑1Pa，Si靶功率为0.5～3kW，离子源功率为0.5～2kW，工件负偏压电压为100～800V，镀膜时间为10～120min。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。
[0017]作为一个优选的方案，所述掺硅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10～100sccm，气体碳源流量为20～100sccm，真空度为1.0
×
10
‑1～4.0
×
10
‑1Pa，离子源功率为0.5～3kW，Si靶功率为0.5～2kW，工件负偏压电压为50～800V，镀膜时间为30～600min，且任意相邻两层掺硅类金刚石薄膜层在镀制过程中，镀制外层掺硅类金刚石膜层时的Si靶功率比镀制内层掺硅类金刚石膜层时的Si靶功率下降0.1～0.3kW。优选的气体碳源为乙炔等。本专利技术通过采用非平衡中频磁控溅射与直流弧光PECVD相结合方法镀制掺硅类金刚石膜层，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硅元素的含量，稳定的将硅元素的
含量控制在提升膜层性能最有效的区间2～40％。
[0018]本专利技术在TC4基体表面制备掺Si类金刚石复合涂层的具体方法包括以下步骤：
[0019]A.对TC4基体进行清洗：将TC4基体先后采用纯化水和乙醇进行超声清本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料，其特征在于：TC4基体表面镀有掺硅类金刚石复合涂层；所述掺硅类金刚石复合涂层由N层硅过渡膜层和N层掺硅类金刚石膜层交替叠加构成；其中，N为大于或等于1的整数。2.根据权利要求1所述的一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料，其特征在于：所述掺硅类金刚石复合涂层由2～10层硅过渡膜层和2～10层掺硅类金刚石膜层交替叠加构成。3.根据权利要求2所述的一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料，其特征在于：所述掺硅类金刚石复合涂层中各层硅过渡层的厚度均在0.1～1.5μm范围内，各层掺硅类金刚石膜层的厚度均在0.3～3.5μm范围内。4.根据权利要求1或2所述的一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料，其特征在于：所述掺硅类金刚石复合涂层中各掺硅类金刚石膜层的硅掺杂量由内层至外层梯度递减。5.根据权利要求4所述的一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料，其特征在于：所述掺硅类金刚石复合涂层中硅的总质量百分比含量为2～40％，最外层掺硅类金刚石膜层中硅质量百分比含量不高于10％。6.权利要求1～5任一项所述的一种表面耐磨和低生物毒性的TC4材料的制备方法，其特征在于：对TC4基体进行表面清洁处理后，在其表面交替镀制硅过渡膜层和掺硅类金刚石膜层。7.根据权利要求6所述的一种表面耐磨和低生物毒性的TC4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TC...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭周建，张翔，王玲，刘波，蔡志霞，胡康日，
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：