一种表面改性的钛合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种表面改性的钛合金材料及其制备方法，该钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜，钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在微纳结构的表面；该制备方法包括S1利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；S2利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；S3在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。本发明专利技术提供的制备方法制备得到的钛合金材料其表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜，且制备效率显著提高。

【技术实现步骤摘要】
一种表面改性的钛合金材料及其制备方法
本专利技术涉及钛合金
，尤其是一种表面改性的钛合金材料及其制备方法。
技术介绍
众所周知，钛合金因其高耐腐蚀性、高力学强度、低密度以及良好的生物相容性等优点，是作为生物医学常用材料。然而，钛合金摩擦性能较差，磨损的碎片进入生物体内，可能引起毒性反应，同时在微生物腐蚀和电化学腐蚀的作用下，极大的影响使用寿命。因此，改善钛合金的表面性能具有重要的医学价值。高质量金刚石薄膜具有高硬度、优异耐磨性能、低摩擦因数、强化学惰性、良好生物相容性、高热传导率等优异的理化性能，是应用于钛合金表面改性的理想材料，从而提高钛合金材料的耐磨性、抗腐蚀性，降低其表面摩擦系数，改善其生物相容性。金刚石还具有高禁带宽度、宽光谱透过率等优点，可以应用于精密机械加工、生物医学、热沉、MEMS、芯片、光学窗口、宝石等领域，目前在多种金刚石薄膜的合成方法中，微波等离子体化学气相沉积法(Microwaveplasmachemicalvapordeposition，MPCVD)由于没有杂质的引入，被认为是合成高质量、大面积的金刚石薄膜的最优方法。现有技术中，部分的相关研究显示，在钛合金表面高效制备高质量的金刚石层具有比较大的困难，罗建军在钛工业进展期刊发文《在钛表面上微波等离子辅助化学气相沉积金刚石涂层》，发现在金刚石晶体形核期间，碳源浓度必须保持在高比例以期获得最大的形核密度此后碳源浓度比例必须降低至一个低值以期获得晶型完整的高质量的金刚石涂层，但是生长速率极慢，且生长质量无法控制。LambdaTechnologies在Ti以及Ti-6Al-4V表面，采用MPCVD方法沉积金刚石薄膜，但是SEM表征形貌较差，Raman表征显示，SP2杂质较多，且生长速率在nm级别。ShaneA.CatledgeandYogeshK.Vohra使用MPCVD方法，在Ti-6Al-4V生长多晶金刚石膜，Raman表征SP2杂质相较多，1332cm-1特征峰几乎无法显示，且生长速率在nm级别。如何在钛合金表面高效率的制备高质量的金刚石膜，是目前困扰行业的难题。
技术实现思路
本专利技术提供一种表面改性的钛合金材料及其制备方法，用于克服现有技术中制备效率低、产品质量不高等缺陷。为实现上述目的，本专利技术提出一种表面改性的钛合金材料，所述钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；所述钛合金的表面具有周期性的微纳结构，所述金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。为实现上述目的，本专利技术还提出一种表面改性的钛合金材料的制备方法，所述制备方法包括：S1：利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；S2：利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；S3：在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：1、本专利技术提供的表面改性的钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜，钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在微纳结构的表面。与现有的钛合金材料相比，本专利技术提供的钛合金材料通过钛合金表面的微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，通过划痕测试法表征获得本专利技术提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N，同时微纳结构可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；此外，通过Raman(拉曼)光谱仪表征获得本专利技术发提供的钛合金材料的表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。2、本专利技术提供的表面改性的钛合金材料的制备方法，首先利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构，该微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，同时可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；然后利用金刚石研磨膏对微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声，以增加微纳结构表面的形核密度；最后在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，可快速获得表面改性的钛合金材料。通过划痕测试法表征获得本专利技术提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N；通过Raman光谱仪表征获得本专利技术发提供的钛合金材料表明SP2杂质很少，且生长速率在微米级别，表明本专利技术制备方法制备获得的钛合金材料其表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜，且制备效率显著提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1提供的钛合金材料的结构图；图2为本专利技术实施例1对制备获得的钛合金材料进行Raman光谱仪表征的结果图。附图标号说明：1：金刚石薄膜；2：钛合金。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。本专利技术提出一种表面改性的钛合金材料，该钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。本专利技术提供的表面改性的钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜，钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在微纳结构的表面。与现有的钛合金材料相比，本专利技术提供的钛合金材料通过钛合金表面的微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，通过划痕测试法表征获得本专利技术提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N，同时微纳结构可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；此外，通过Raman光谱仪表征获得本专利技术发提供的钛合金材料的表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。优选地，所述金刚石薄膜的厚度为5～10μm。过厚容易开裂，过薄会导致无法完全覆盖钛合金表面。优选地，所述微纳结构的周期为凹槽；所述凹槽的槽深为100～800nm，槽宽为50～500nm。合适的槽深和槽宽对提高钛合金与金刚石薄膜的结合力效果更显著。凹槽可以为规则的形状，也可以为不规则形状(如具有锥度的凹槽)，但优选规则的形状，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；/n所述钛合金的表面具有周期性的微纳结构，所述金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；
所述钛合金的表面具有周期性的微纳结构，所述金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。


2.如权利要求1所述的表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述微纳结构的周期为凹槽；所述凹槽的槽深为100～800nm，槽宽为50～500nm。


3.如权利要求1所述的表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述钛合金材料还包括过渡层；所述过渡层位于所述微纳结构的表面与所述金刚石薄膜之间；所述过渡层为Ti层或者TiC层，所述Ti层或者TiC层的厚度为102nm～1μm。


4.一种表面改性的钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1：利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；
S2：利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；
S3：在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。


5.如权利要求4所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭国令，黄翀，刘立斌，
申请(专利权)人：长沙新材料产业研究院有限公司，中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43