表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金及其制备方法，该钛合金为通过在其表面织构的凹坑内电泳沉积携带正电荷的球形氮化硼，并经自组装在球形氮化硼的表面结合MXene或氧化石墨烯获得的。本发明专利技术基于在摩擦界面构筑球形氮化硼/MXene或氧化石墨烯异质结，实现滚动效应和非公度接触以降低摩擦，同时钛合金表面刻蚀点阵利于储存生理盐水、组织液等腐蚀性液体，不断为摩擦界面补偿液体以增强润滑性和寿命。液体以增强润滑性和寿命。液体以增强润滑性和寿命。

【技术实现步骤摘要】
表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种钛合金，具体涉及一种表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金由于其高的机械强度、更接近皮质骨的弹性模量和优异的生物相容性广泛应用于生物医疗关节系统中。然而，在高载荷、生物组织液腐蚀条件下，钛合金表现出了高摩擦和低耐磨性，从而降低了钛合金在医疗部件中的可靠性和寿命。
[0003]利用表面改性技术改善钛合金的表面性能备受关注。通常最常用的方法是进行化学处理提高耐磨性能，但化学氧化后得到的氧化膜层较薄，耐蚀性和耐久性仍然较差。因此，钛合金表面构筑涂层似乎成为最有希望的解决方案，如钛合金表面制备类金刚石碳(DLC)薄膜。然而，钛合金表面类金刚石薄膜的工业化应用面临以下几个难题：薄膜制备技术昂贵，如采用磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积，同时DLC薄膜高内应力容易诱导关节连接处发生应力屏蔽(从骨骼去除典型应力而导致的骨密度降低)的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金及其制备方法，解决了钛合金低耐磨性的问题，基于在摩擦界面构筑球形氮化硼/MXene或氧化石墨烯异质结，实现滚动效应和非公度接触以降低摩擦，同时钛合金表面刻蚀点阵利于储存生理盐水、组织液等腐蚀性液体，不断为摩擦界面补偿液体以增强润滑性和寿命。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金，该钛合金为通过在其表面织构的凹坑内电泳沉积携带正电荷的球形氮化硼，并经自组装在球形氮化硼的表面结合MXene或氧化石墨烯获得的。
[0006]优选地，携带正电荷的球形氮化硼是经以下方法获得的：将球形氮化硼与壳聚糖在水
‑
乙醇溶液中经超声；其中，所述球形氮化硼与壳聚糖的质量比为2：3；所述壳聚糖的分子量为60kDa。
[0007]优选地，所述球形氮化硼是经以下方法获得的：将氮化硼粉末、表面活性剂、碳水化合物与水的悬浮液经单层剥离、冷冻干燥，获得单层氮化硼粉体；将单层氮化硼粉体、粘结剂和水的混合液，调整pH至10.5以上，进行喷雾干燥获得粉体，得到的粉体经过400℃高温煅烧得到球形氮化硼。
[0008]优选地，所述氮化硼粉末、表面活性剂、碳水化合物与水的质量比为100：0.25：5：80；所述单层氮化硼粉体、粘结剂和水的质量比为3：1：10；所述表面活性剂选用十二烷基磺酸钠；所述碳水化合物选用蔗糖；所述粘结剂选用磷酸二氢铝。
[0009]优选地，所述钛合金表面经点阵刻蚀在其表面形成凹坑；所述钛合金选用Ti
‑
6Al
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4V。
[0010]优选地，所述凹坑的深度为15～20微米。
[0011]优选地，携带正电荷的球形氮化硼经电泳沉积在钛合金表面织构的凹坑内；其中，携带正电荷的球形氮化硼的浓度为1mg/mL；沉积电压为30V，沉积时间为30秒。
[0012]优选地，所述MXene或氧化石墨烯的水溶液的浓度为0.3～0.5mg/mL；自组装时间为30～60秒。溶液浓度过低或自组装时间过短，难以全方位包裹氮化硼裸露表面；相反，高浓度和长时间造成膜层厚度过大，难以有效发挥氮化硼纳米球的滚动效应。
[0013]本专利技术的另一目的是提供所述的钛合金的制备方法，该方法包含：
[0014](1)球形氮化硼的制备
[0015]将氮化硼粉末、表面活性剂、碳水化合物与水的悬浮液A进行单层剥离，冷冻干燥，获得单层氮化硼粉体；
[0016]将单层氮化硼粉体、粘结剂和水混合，调整pH至10.5以上，进行喷雾干燥获得粉体，得到的粉体经过400℃高温煅烧得到球形氮化硼，在该温度下煅烧粘附性更强，稳定性更优异；
[0017](2)球形氮化硼正电荷供给
[0018]将球形氮化硼与水的悬浊液离心，上清液为粒径均匀统一的球形氮化硼；将得到的上清液冷冻干燥，得到均匀粒径的球形氮化硼；在均匀粒径的球形氮化硼、水和乙醇的悬浊液中加入壳聚糖粉末，超声，促进球形氮化硼表面正电荷供给；
[0019](3)钛合金表面球形氮化硼/MXene复合薄膜的制备
[0020]将钛合金与带有孔的塑料掩膜进行组合固定，进行点阵刻蚀，刻蚀深度为15～20微米；将刻蚀完成的钛合金放入携带正电荷球形氮化硼乙醇水溶液中的阴极进行电泳沉积；将沉积后的钛合金放入MXene或氧化石墨烯水溶液中进行自组装，待结束后去除掩膜，获得表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金。
[0021]优选地，在步骤(1)中，采用1％浓度的氢氧化钠溶液调整pH。
[0022]优选地，在步骤(1)中，调整pH至10.5～12.5。
[0023]优选地，在步骤(1)中，高温煅烧的时间为6小时。
[0024]优选地，所述离心的旋转速度为3000转每分钟，颗粒尺寸均匀性最优，所占比例最高，如图3所示；所述超声的功率为400W。采用了高离心速率和超声功率，主要促使大量大颗粒和不规则形状沉降。收集上清液物质，其颗粒尺寸和形状均匀规则，利于后续氮化硼携带相同电荷。
[0025]优选地，所述离心的时间为10分钟。
[0026]优选地，在步骤(2)中，所述球形氮化硼与水的用量为2mg：1mL。
[0027]优选地，所述点阵刻蚀采用2000W激光器；所述沉积电压为30V，沉积时间为30秒，在该条件下利于凹坑点阵充满足够的BN纳米颗粒，并不过量的暴露BN颗粒凸出。
[0028]优选地，在步骤(2)中，所述均匀粒径的球形氮化硼、水和乙醇的用量为2mg：1mL：1mL。
[0029]本专利技术的表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金及其制备方法，解决了钛合金低耐磨性的问题，具有以下优点：
[0030]本专利技术在钛合金表面沉积分割式异质结复合薄膜，基于在摩擦界面构筑球形氮化硼/MXene或氧化石墨烯异质结，实现滚动效应和非公度接触以降低摩擦，同时碳合金表面刻蚀点阵利于储存生理盐水、组织液等腐蚀性液体，不断为摩擦界面补偿液体以增强润滑
性和寿命。关键之处是，该分割式异质结复合薄膜优化了摩擦学性能，但不改变钛合金整体表面的硬度和强度，即不改变接触形式，并不会造成应力屏蔽和生物相容性的问题。因此，该技术克服了传统化学处理和润滑涂层的局限，并易实现大面积工业化制备，有望成为延长关节寿命重要手段之一。
附图说明
[0031]图1为厚和薄层薄膜的摩擦系数对比；
[0032]图2为制备BN溶液的zeta电势分析；
[0033]图3为不同离心旋转速度下的粒径分布；
[0034]图4为本专利技术钛合金表面薄膜结构示意图；
[0035]图5为本专利技术壳聚糖
‑
球形氮化硼制备流程示意图；
[0036]图6为本专利技术制备钛合金表面球形氮化硼/MXene储液减摩复合涂层流程示意图；
[0037]图7为本专利技术薄膜摩擦机制示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面具有分割式异质结复合薄膜的钛合金，其特征在于，该钛合金为通过在其表面织构的凹坑内电泳沉积携带正电荷的球形氮化硼，并经自组装在球形氮化硼的表面结合MXene或氧化石墨烯获得的。2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，携带正电荷的球形氮化硼是经以下方法获得的：将球形氮化硼与壳聚糖在水
‑
乙醇溶液中经超声；其中，所述球形氮化硼与壳聚糖的质量比为2：3；所述壳聚糖的分子量为60kDa。3.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述球形氮化硼是经以下方法获得的：将氮化硼粉末、表面活性剂、碳水化合物与水的悬浮液经单层剥离、冷冻干燥，获得单层氮化硼粉体；将单层氮化硼粉体、粘结剂和水的混合液，调整pH至10.5以上，进行喷雾干燥获得粉体，得到的粉体经过400℃高温煅烧得到球形氮化硼。4.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述氮化硼粉末、表面活性剂、碳水化合物与水的质量比为100：0.25：5：80；所述单层氮化硼粉体、粘结剂和水的质量比为3：1：10；所述表面活性剂选用十二烷基磺酸钠；所述碳水化合物选用蔗糖；所述粘结剂选用磷酸二氢铝。5.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金表面经点阵刻蚀在其表面形成凹坑；所述钛合金选用Ti
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6Al
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4V。6.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，携带正电荷的球形氮化硼经电泳沉积在钛合金表面织构的凹坑内；其中，携带正电荷的球形氮化硼的浓度为1mg/mL；沉积电压为30V...

【专利技术属性】
技术研发人员：白常宁，张俊彦，俞凯还，强力，张兴凯，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：