纳米钛基TiO_2薄膜生长特点和生物活性研究

采用直流磁控溅射法分别在纳米晶体钛和粗晶粒工业纯钛表面沉积TiO2薄膜,研究了纳米钛基TiO2薄膜的结构形貌、形核、生长、晶体结构和体外生物活性。用扫描电镜和X射线衍射仪分析了薄膜的表面形貌和晶体结构,用体外模拟人体体液浸泡诱导羟基磷灰石生长实验表征薄膜的生物活性。结果表明:纳米钛基薄膜形核率高,薄膜非常致密、光滑,晶粒细小,仅为粗晶粒钛基TiO2薄膜晶粒尺寸的一半,约100nm;钛基材纳米晶体化可促进薄膜由锐钛矿相向金红石相转变;钛基材纳米化可显著提高自身及其表面TiO2薄膜的生物活性。

Ar等离子体改性纳米钛基TiO_2薄膜生物活性研究

采用室温直流磁控溅射技术在纳米晶体钛表面制备TiO2薄膜,并用Ar等离子体对TiO2薄膜进行表面改性,体外模拟体液浸泡实验考察薄膜的生物活性。系统研究了Ar等离子体处理对TiO2薄膜结构、形貌、亲水性、生物活性的影响规律。结果表明:Ar等离子体处理不改变纳米晶体钛表面TiO2薄膜晶体结构(主要为金红石相),但显著改善TiO2薄膜均匀性、光滑性和亲水性。Ar等离子体处理后,TiO2薄膜在模拟体液浸泡中诱导的Ca/P层由球状团簇无定型结构转变为内联多孔网状磷灰石和磷酸八钙相结构,显示优异的生物活性。

超细晶粒钛表面掺钽TiO_2薄膜的微结构及血液相容性研究

采用直流反应磁控溅射法在超细晶粒钛表面沉积掺钽TiO2薄膜,研究了不同掺Ta量对超细晶粒钛表面TiO2薄膜结构、形貌和血液相容性的影响规律。结果表明,超细晶粒钛具有强烈的诱导金红石相形核效应,室温下可以获得超过90%含量的金红石型TiO2;Ta的掺入具有细化薄膜晶粒并抑制金红石相形成的作用;掺入少量Ta的TiO2薄膜具有较优的血液相容性;掺入过量Ta的TiO2薄膜为无定形结构,因抑制金红石相形成反而恶化TiO2薄膜的血液相容性。

提高钢基表面Al_2O_3薄膜结合力的研究

采用射频磁控溅射法在40Cr基体上制备了非晶态Al2O3薄膜,并研究了工艺参数(溅射功率,工作气压,溅射时间)、预处理工艺以及中间层对薄膜结合性能的影响。试验结果表明,采用射频溅射法,在功率为250W、工作气压为5.0Pa、时间为3h条件下制备的薄膜结合力最好。基体经过腐蚀预处理和加入镍磷中间层均能改善膜基结合力,后者效果更显著。

掺钽TiO_2薄膜的生物活性研究

采用射频磁控溅射技术在表面纳米化316L不锈钢基体上制备掺钽TiO2薄膜,研究了不同掺钽量对表面纳米化316L不锈钢基TiO2薄膜形貌、结构、亲水性和生物活性的影响规律。结果表明掺杂适量的钽能够细化TiO2薄膜颗粒;掺钽能够改善TiO2薄膜的亲水性和生物活性;含钽36%的TiO2薄膜表面自由能比未掺杂时提高了30.1mN/m,在SBF溶液中能促进羟基磷灰石在其表面晶化。

钛合金表面磁控溅射TiB_2-TiN复合薄膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备SiC/TiB2-TiN双层薄膜,SiC为中间层,研究了TiB2-TiN复合薄膜的组织结构和摩擦磨损性能。结果表明,TiB2-TiN复合薄膜具有纳米尺度颗粒(畴)的微结构特征,SiC薄膜与基材和TiB2-TiN复合薄膜间都具有明显且呈梯度的元素扩散;在载荷200g、室温Kokubo人体模拟体液条件下,与氮化硅(Si3N4)球(直径4mm)对摩,其平均摩擦系数约为0.22,磨损速率在10-6 mm3/(m.N)级;并且TiB2-TiN复合薄膜对Kokubo人体模拟体液中的Ca、P元素具有很强的黏附能力。

Cr12MoV钢表面磁控溅射TiB_2-TiN薄膜的摩擦磨损性能

采用磁控溅射技术在淬火态Cr12MoV表面制备SiC/TiN、SiC/TiB2-TiN薄膜(SiC为中间层),研究TiN、TiB2-TiN薄膜的组织结构和摩擦磨损性能。结果表明,SiC薄膜与基材和TiN、TiB2-TiN薄膜间都具有明显的且呈梯度的元素扩散,界面结合良好。在水润滑条件下与钢球对摩时(载荷0.5 N,时间0.5 h),TiN薄膜、TiB2-TiN薄膜具有良好摩擦磨损性能,其平均摩擦因数分别为0.33、0.31,低于淬火态Cr12MoV的0.45,磨损速率分别为2.0×10-8和1.5×10-8mm3/(N.m),低于淬火态Cr12MoV的8.66×10-7mm3/(N.m),其中在水润滑条件下TiB2-TiN薄膜比TiN薄膜具有更好的摩擦磨损性能。

纳米结构316L不锈钢基掺钽TiO_2薄膜生物活性研究

采用射频磁控溅射技术在表面微结构纳米化316L不锈钢和粗晶粒316L不锈钢基体上制备掺钽TiO2薄膜。采用扫描电镜和X射线衍射仪分析薄膜形貌和晶体结构,用体外模拟人体体液浸泡实验研究薄膜的生物活性。结果表明:表面微结构纳米化的316L不锈钢具有强烈诱导掺钽TiO2薄膜形核效应;316L不锈钢表面微结构纳米化能显著提高自身及其表层掺钽TiO2薄膜的生物活性;316L不锈钢表面纳米化后,其表层掺钽TiO2薄膜诱导的羟基磷灰石形貌由原先的球状变为多孔网状结构。

掺碳TiB_2薄膜/钢摩擦副的干摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术成功地在钢(Cr12MoV)基材表面制备出TiB2/SiC双层薄膜及掺碳TiB2(TiB2-C)/SiC双层薄膜,SiC薄膜为中间层。研究了掺碳对TiB2薄膜组织结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明:SiC薄膜与基材和TiB2,TiB2-C薄膜间都具有明显且呈梯度的元素扩散;掺入的C以sp3C-C和sp2C-C形式存在,即以类金刚石形式存在;与钢球(直径为4 mm)对摩、干摩擦条件下,TiB2薄膜和TiB2-C薄膜的磨损速率在105mm3/(m.N)级,掺C明显降低了薄膜的摩擦系数(从0.82降低到0.45,5 min)和对对摩件(钢)的元素转移。分析表明,摩擦磨损性能的提高主要是TiB2-C薄膜中的C起到了固体润滑作用所致。

AgCuNi/Cu系贵廉金属层状复合材料初期磨损行为研究

采用纳米划痕试验、SEM微观形貌分析和显微硬度测试方法对AgCuNi/Cu系金属层状复合材料的初期磨损行为进行研究,探讨了材料磨损初期磨屑产生的机理。结果表明,使用AgPd30划头时,AgCu4Ni0.3/Cu材料的初期磨损以塑性变形机制下产生的犁沟为主;AgCu6ZnNi0.3/Cu材料的初期磨损机理以粘着磨损和微观疲劳磨损为主;AgCu3ZnNi0.3/Cu材料的初期磨损则符合多次塑变磨损机理;覆有金基合金的三层复合材料,初期磨损明显减小,耐磨性增大,在本次试验条件下只发生了微弱的粘着磨损。

Ti表面高承载摩擦学SiC薄膜的研究

采用室温磁控溅射技术在金属钛表面制备出碳化硅（SiC）薄膜。研究了SiC薄膜的组织结构、纳米压痕行为和摩擦磨损性能。实验结果表明：SiC薄膜呈非晶态,含有较多Si-C键;膜-基间结合很好,具有明显的且呈梯度的相互元素扩散;薄膜的硬度（H）为12.1 GPa,杨氏弹性模量（E）为166.2 GPa,硬度与弹性模量比值（H/E）为0.073;在以氮化硅球为对摩件,初始Hertzian接触应力约为685~930 MPa的室温Kokubo人体模拟体液条件下,其磨损速率在10-5 mm3/Nm级,摩擦系数约为0.215,且不出现薄膜的破裂及剥落现象。分析表明,该薄膜在高载荷下仍具有很好的摩擦磨损性能,其原因是薄膜具有高的韧性和很好的界面结合;高的韧性与H及H/E相对较低有关,而好的界面结合与膜-基间弹性模量的差值较小有关。

纳米晶体钛表面TiO_2薄膜的制备及抗凝血性能

采用直流磁控溅射法分别在纳米晶体钛和粗晶工业纯钛表面制备了TiO_2薄膜,采用X射线衍射仪分析了薄膜的晶型结构,并采用体外动态凝血时间和血小板粘附试验研究了不同薄膜的抗凝血性能。结果表明:纳米晶体钛表面的TiO_2薄膜较工业纯钛表面薄膜的晶粒细小且均匀致密,该薄膜主要为金红石和锐钛矿的混合结构;该钛基材纳米化可显著提高自身及TiO_2薄膜的抗凝血性能。

钛基材纳米化对TiO_2薄膜力学性能影响研究

采用直流磁控溅射法分别在纳米晶体钛(nano-grained Ti,NG Ti)和粗晶粒工业纯钛(coarse-grained commercial pure Ti,CG Ti)表面沉积TiO2薄膜,用扫描电镜、原子力显微镜和X射线衍射仪分析了薄膜的表面形貌和晶体结构,用摩擦试验机、划痕仪和纳米压痕仪测量两种基材表面薄膜的摩擦学性能、膜/基界面结合力、纳米硬度。系统研究了钛基材微结构纳米化对薄膜形核、生长、晶体结构和力学性能的影响规律。结果表明:钛基材微结构纳米化,显著提高薄膜形核率,细化薄膜晶粒;显著促进薄膜由锐钛矿相向金红石相转变;大幅度提高薄膜纳米硬度、界面结合力、摩擦学性能。

纳米晶体钛基掺钽TiO_2薄膜的摩擦磨损性能

采用室温直流反应磁控溅射技术在纳米晶体钛表面制备掺钽TiO_2薄膜,研究了掺Ta量对纳米晶体钛基TiO_2薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明:在室温模拟人体体液条件下,掺钽TiO_2薄膜与不锈钢淬火钢球(Φ4mm)对摩的磨损率为10^(-6)-10^(-5)mm^3·m^(-1) N^(-1)级;随着Ta含量的增加,薄膜的摩擦系数和磨损率呈先减小后增加的趋势,掺Ta量(质量分数)为22%Ta的TiO_2薄膜具有最低的摩擦系数(0.20)和磨损率(1.5×10^(-6)mm^3·m^(-1)·N^(-1)。具有良好的抗磨性能与其硬度与弹性模量比高、抗腐蚀性强和摩擦系数低一致。

Mg中间层对纳米钛表面TiO_2薄膜微结构和动态凝血时间的影响

采用直流磁控溅射技术在纳米钛表面沉积Mg/TiO_2双层薄膜,研究了Mg中间层对纳米钛表面TiO_2薄膜微结构、动态凝血时间和界面结合力的影响。结果表明,Mg中间层对纳米钛表面TiO_2薄膜微结构、动态凝血时间和界面结合力有显著影响。预制Mg中间层后,纳米钛表面TiO_2薄膜由金红石相(含少量锐钛矿)转变为MgTiO_3、Ti_2O_3和少量金红石相;纳米钛表面TiO_2薄膜沿Mg膜晶界生长成微米级团簇,而团簇内部具有纳米畴特征;纳米钛表面TiO_2薄膜的凝血时间由17 min提高到40 min;纳米钛表面TiO_2薄膜的界面结合力由17N提高到36 N。