一种生物活性纳米晶β‑Ta涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物活性纳米晶β‑Ta涂层的制备方法，采用双阴极等离子溅射沉积方法制备生物活性纳米晶β‑Ta涂层，具体的工艺参数如下：靶材电压700~1000 V,工件电压250~350 V，靶材与工件间距10~20 mm,工作气压25~40 Pa，沉积温度600~900 ℃，沉积时间 1.0~2.0 h. 溅射靶材的种类：纯度为>99.9%的商用纯Ta；工件材料的种类：医用钛合金植入材料。本发明专利技术制备得到的纳米晶β‑Ta涂层具有高硬度、高韧性以及优异的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力，能明显提高医用钛合金的耐磨性、抗腐蚀性能和生物活性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到表面处理和生物医用材料领域，尤其涉及一种生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法。
技术介绍
在生物医用金属材料中，钛基金属因其优异的力学性能、耐腐蚀性能和良好的生物相容性，成为目前骨科植入产品的首选材料。然而，钛基金属不具备骨引导和诱导骨组织再生功能，属生物惰性材料，不能与骨形成化学键合。此外，对于关节类的植入物，磨损性能的不足使得钛合金在机械磨损作用下很容易产生磨屑，大量磨屑聚积诱发机体细胞产生一系列不良生物反应，造成骨质溶解和无菌松动，最终导致植入体失效。同时，在与人体长期相互作用过程中，钛合金中Ni、Al、V等有害元素的释放会对机体产生毒害作用，导致痴呆、神经紊乱、骨质疏松等疾病的发生。如何提高钛基金属植入体的生物活性、抗磨损和耐腐蚀性能成为医疗和材料工作者长期关注与研究的热点之一。以先进的表面改性技术为手段，在医用钛合金表面制备抗磨损、耐腐蚀的生物活性涂层是解决上述问题的有效方法之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，利用Ti, Ta无限固溶的特点，在医用钛合金表面制备高硬度、高韧性且与基体呈冶金结合的纳米晶β-Ta涂层，该涂层具有特殊的表面纳米形貌，能明显提高钛合金在生理溶液中的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力。本专利技术采用以下技术方案：一种生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法，采用双阴极等离子溅射沉积技术，在工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶β-Ta涂层，其中a.双阴极等离子溅射沉积工艺参数：靶材电压为700~1000 V，工件电压为250~350 V，靶材与工件间距为10~20 mm，Ar气压为25~40 Pa，沉积温度为600~900 ℃，沉积时间为1.0~2.0 h；b.溅射的靶材种类：商用纯Ta；c.工件材料的种类：医用钛合金。本专利技术采用双阴极等离子溅射沉积技术，在Ti-6Al-4V合金表面制备具有特殊纳米形貌的β-Ta涂层。经试验证明，该涂层完全由15-30 nm 的β-Ta纳米晶粒组成，组织致密均匀无缺陷，与基体结合良好。电化学测试和生理溶液浸泡实验表明该涂层明显提高了Ti-6Al-4V基体的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力，显示出巨大的骨科移植应用潜力。作为优选，靶材电压为800 V。作为优选，工件电压为250 V。作为优选，靶材与工件间距为10 mm。作为优选，Ar气压为35 Pa。作为优选，沉积温度为800 ℃。作为优选，沉积时间为2.0 h。有益效果：1. 本专利技术的纳米化提高了金属Ta涂层的韧性和硬度。金属Ta存在两种晶体结构，分别为体心立方结构的α-Ta和四方结构的β-Ta。以往的金属Ta涂层应用主要集中于α-Ta, 这主要是因为β-Ta涂层呈现高的低温脆性，因此在机械作用下很容易开裂破损，甚至大片剥落。本专利技术采用双阴极等离子溅射沉积技术制备的金属Ta涂层完全由单相的β-Ta纳米晶(15-30 nm)组成，使该涂层不仅具有高的显微硬度(~17.1 GPa), 而且呈现高的韧性。利用压痕法评价涂层的韧性表明：压入载荷为9.8 N时显微硬度压痕周围没有观察到裂纹的萌生和发展。由于在纳米尺度范围内材料的变形机制已由传统的位错形成与运动为主导转变为由晶界滑移和扩散蠕变为主导，晶界滑移能够有效释放裂纹尖端的应力集中，钝化裂纹，使裂纹扩展困难，从而增加纳米晶涂层的韧性。2. 本专利技术的纳米晶β-Ta涂层在生理溶液中具有很高的电化学腐蚀抗力。Hanks溶液中的动电位极化测试表明，该涂层较Ti-6Al-4V基体，甚至是商用纯Ta，具有低的自腐蚀电流密度和钝化电流密度，高的极化阻抗，表现出优异的电化学腐蚀抗力。3. 纳米晶β-Ta涂层在模拟生理溶液中高的磷灰石诱导能力。Hanks溶液中的浸泡测试表明，该涂层较Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta具有明显的磷灰石诱导能力，表现出高的生物活性。该涂层特殊的纳米级表面形貌特征使得涂层拥有极大的比表面积和有利的电荷分布，有利于生物矿化过程中Ca2+, PO43-的大量吸附，因而表现出优异的磷灰石诱导能力。附图说明图1为纳米晶β-Ta涂层的明场TEM照片。图2为纳米晶β-Ta涂层，Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta在Hanks溶液中37℃下的动电位极化曲线比较。图3为纳米晶β-Ta涂层，Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面SEM照片。图4为纳米晶β-Ta涂层的表面AFM照片。具体实施方案下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例1一种生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积法，在Ti-6Al-4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶β-Ta涂层，其中a.双阴极等离子溅射工艺参数：靶材电压800 V工件电压250 V靶材与工件间距10 mmAr气压35 Pa沉积温度800 ℃沉积时间2.0 hb.溅射的靶材种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta；c.工件材料的种类：医用钛合金Ti-6Al-4V。图1为纳米晶β-Ta涂层的明场TEM照片。从图中可以看出，该涂层由大小15-30 nm的β-Ta纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为23 nm。该涂层的硬度为17.1 GPa，弹性模量为245.4 GPa, 与基体的结合强度达到 38 N。利用压痕法评价涂层的韧性表明：压入载荷为9.8 N时显微硬度压痕周围没有观察到裂纹的萌生和发展，证明该纳米晶β-Ta涂层具有高的韧性。图2所示Hanks溶液中的动电位极化测试表明，纳米晶β-Ta涂层较Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta，具有更低的自腐蚀电流密度和钝化电流密度，高的极化阻抗，表现出优异的电化学腐蚀抗力。图3所示Hanks溶液中的浸泡测试表明，纳米晶β-Ta涂层较Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta具有明显的磷灰石诱导能力，表现出高的生物活性。从图中可以看出，β-Ta涂层表面完全被一层较厚的磷灰石层所覆盖，显示出强劲的磷灰石诱导能力。而对于Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta，表面仅有少量的磷灰石形成，显示出相对弱的磷灰石诱导能力。图4为纳米晶β-Ta涂层的表面AFM照片，从图中可以看出，该涂层表面表现为众多高度2-4 nm的锥状突起，拥有3.8-4.3 nm的纳米级表面粗糙度。如此的形貌特征使得涂层拥有极大的比表面积和有利的电荷分布，有利于生物矿化过程中Ca2+, PO43-的大量吸附，因而表现出优异的磷灰石诱导能力。本专利技术以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，利用Ti，Ta无限固溶的特点，在Ti-6Al-4V合金表面制备高硬度、高韧性且与基体呈冶金结合的纳米晶β-Ta涂层。该涂层具有特殊的表面纳米形貌，能明显提高钛合金在生理溶液中的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力，显示出巨大的骨科移植应用潜力。实施例2一种生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积法，在Ti-6Al-4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶β-Ta涂层，其中a.双阴极等离子溅射工艺参数：靶材电压900 V，工件电压250 V，靶材与工件间距10 mm，Ar气压40 Pa，沉积温度900 ℃，沉积时间1.5 h；b.溅射的靶材种类：纯度为>99.9%的商用纯Ta；c.工件材料的种类：医用钛合金Ti-6Al-4V。所得涂层的电化学腐蚀抗力与实施例1相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物活性纳米晶β‑Ta涂层的制备方法，其特征在于：采用双阴极等离子溅射沉积技术，在工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶β‑Ta涂层，其中a.双阴极等离子溅射沉积工艺参数：靶材电压为700~1000 V，工件电压为250~350 V，靶材与工件间距为10~20 mm，Ar气压为25~40 Pa，沉积温度为600~900 ℃，沉积时间为1.0~2.0 h；b.溅射的靶材种类：商用纯Ta；c.工件材料的种类：医用钛合金。

【技术特征摘要】
1.一种生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法，其特征在于：采用双阴极等离子溅射沉积技术，在工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶β-Ta涂层，其中a.双阴极等离子溅射沉积工艺参数：靶材电压为700~1000 V，工件电压为250~350 V，靶材与工件间距为10~20 mm，Ar气压为25~40 Pa，沉积温度为600~900 ℃，沉积时间为1.0~2.0 h；b.溅射的靶材种类：商用纯Ta；c.工件材料的种类：医用钛合金。2.根据权利要求1所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法，其特征在于：靶材电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐江，刘林林，蒋书运，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32