医用316L不锈钢表面TiB2薄膜的制备及其耐蚀性研究
本课题研究了运用磁控溅射法在医用316L不锈钢沉积TiB2薄膜，分别采用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜及电化学工作站分别对薄膜结构、组织形貌和耐蚀性进行表征，以研究溅射功率、溅射气压、基片温度等因素对薄膜结构、组织及耐蚀性的影响。通过分析发现：TiB2薄膜沿着（001）方向择优生长趋势以及薄膜厚度都能随着溅射功率，气压和基片温度的升高达到最佳状态。试样的耐蚀性随着磁控溅射功率的增大而提高；当溅射气压在一定范围内，试样耐蚀性随着溅射气压的增大而达到一个最佳值，之后耐蚀性随着溅射气压的升高而减小；升高基片温度后试样的耐蚀性随之变好。根据上述分析，最后得出制备TiB2薄膜的最佳实验参数：溅射功率为100W，溅射气压为0.7Pa，基片温度为400℃。
关键词：医用316L不锈钢，磁控溅射，耐蚀性，薄膜
1 绪论 1
1.1医用316L不锈钢的概述 1
1.2 TiB2的概述 4
1.3课题的研究意义 5
1.4课题的研究内容和流程 5
2 样品制备及表征 7
2.1实验方案设计 7
2.2材料准备 9
2.3模拟体液的制备 9
2.4样品制备 10
2.5样品结构及性能检测 10
3 实验结果分析 11
3.1溅射功率对TiB2薄膜结构和性能的影响 11
3.2溅射气压对TiB2薄膜结构和性能的影响 14
3.3基片温度对TiB2薄膜结构和性能的影响 16
4. 参数优化 19
4.1优化参数对结构的影响 19
4.2优化参数对组织的影响 20
4.3优化参数对耐蚀性的影响 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1医用316L不锈钢的概述
1.1.1医用316L不锈钢的性质
医用316L不锈钢是一种铁基耐蚀合金，它的金相组织是奥氏体。它的机械性能好：极限抗拉强度好（620Mpa），屈服强度较高（310MPa），伸长率较大（30%）。同时以拥316L不锈钢具有比较好的抗腐蚀性能和抗高温性能，使得它能够在苛刻条件下使用。而且还具有容易加工、生物相容性好、价格便宜等优点。
1.1.2医用316L不锈钢的应用
医用316L不锈钢凭借其出众的综合性能，被认为是一种性能优良的医用材料，在临床上有着广泛的应用。在骨科中主要用于制造各种人工关节、人工骨及骨折固定装置如聚髌器、骑缝钉；牙科中常被用来制成种植体和矫形丝等器件；此外，还可以将其做成心脏支架如冠状动脉支架和外周血管支架等[1]。
1.1.3 医用316L不锈钢在临床应用中存在的问题
医用316L不锈钢虽然被广泛应用，但其自身的缺陷还是很明显或者说有的性能还需提高。比如，从临床应用病例中发现，医用316L不锈钢在人体内的耐蚀性和生物相容性都不算理想。以下是医用不锈钢在临床中易出现的问题：
（1）腐蚀
人体体液当中存在着大量的电解质，比如说钠离子（Na+）、氯离子（Cl-）、碳酸氢根等离子（HCO3-）等[2]。并且，人体内中还有大量的有机化合物。显而易见，人体体液可以被当作是一个十分复杂的腐蚀环境。当医用316L不锈钢植入体内，需要长时间浸泡在人体体液中，显然医用316L不锈钢在这样一个复杂的腐蚀环境下必定会发生化学浸蚀。
研究表明，医用316L不锈钢在人体内的主要腐蚀方式是点蚀。在临床应用中，医用316L不锈钢需要被长时间的置留于人体内。随着置留时间的逐渐延长，医用316L不锈钢的表面氧化膜会慢慢的被体液内的大量活性离破坏，直接导致氧化膜失去了钝化作用，最终形成腐蚀点。另外，研究人员还从临床病例中发现医用316L不锈钢在人体内对缝隙腐蚀比较敏感。这种情况大多数发生在植入零件与零件的接触界面，并且人体内的大量氯离子会大大加重植入材料的缝隙腐蚀。
医用316L不锈钢在人体内的腐蚀行为不但降低了它的力学性能，大大增加植入材料磨损，断裂的风险，而且还会加速医用316L不锈钢内部的有害离子如Cr、Ni、Mo等的溢出。一方面，腐蚀能够导致植入材料的失效，另一方面，腐蚀后溢出的大量金属离子对人体有毒害作用。由此可以看出，在体液内的腐蚀行为在较大程度上影响了医用316L不锈钢的力学性能和生物相容性。关于如何提高医用316L不锈钢的耐蚀性将会是今后国内外学者研究的一大热点。邹建新等[3]研究了强流脉冲电子束对医用316L不锈钢的表面改性作用，利用脉冲电子束对316L不锈钢表面进行不同程度的轰击。经过对结构、组织和耐蚀性表征后发现，用强流脉冲电子束轰击表面能有效的提高医用316L不锈钢的耐蚀性。此外，还发现当轰击表面次数达到20次的时候，医用316L不锈钢的耐蚀性最好。
（2）断裂
在临床应用中，医用316L不锈钢通常被用作硬组织替代物，如人造关节，人造骨等。对此要求医用316L不锈钢能够在体内承受很大的载荷。以股骨头为例，医学上要求其疲劳强度不能低于400Mpa。在一般情况下，医用316L不锈钢能够满足力学性能要求，但是根据相关的调查发现，临床上出现了很多医用316L不锈钢在人体内断裂的例子。这是因为在极具腐蚀性的人体体液中，医用316L不锈钢上发生了点蚀和缝隙腐蚀。正是因为腐蚀造成的点蚀孔引发了不锈钢的疲劳裂纹和应力腐蚀断裂，最终结果就是植入材料失效。针对以上的问题，万千等[4]制备了HA/316L不锈钢功能梯度生物材料，研究发现当增加功能生物梯度材料中316L不锈钢的含量时，使得这种材料的密度有所增加，抗弯强度变高，不易断裂。
（3）生物相容性
Yoo等[5]研究发现医用316L不锈钢在人体中表现出一定的细胞毒性；影响人体器官的机能。这些问题容易造成手术失败，比如植入人体的316L不锈钢支架会释放出有害离子，刺激组织增生，增加了支架在此狭窄的可能性，就需要进行二次手术清理病灶。
此外植入人体内的医用316L不锈钢表现为生物惰性，其表面不具有生物活性，这容易造成植入人体后与肌体组织集合力度不够，导致植入器件与人体组织结合不牢固，器件易于松动，使得植入效果达不到预期。为此，张辉等[6]指出在不锈钢的表面涂覆羟基磷灰石能帮提高植入骨组织的整合嵌入。
1.1.4 医用316L不锈钢的表面改性研究现状
针对上述医用316L不锈钢的缺陷，国内外研究人员积极寻找提高医用316L不锈钢性能的方法，发现对医用316L不锈钢进行表面改性是提高其性能的一种有效途径。目前已经研究出了多种耐蚀性强、血液相容性好的涂层。以下介绍这几种涂层。
（1）金属涂层
在基体表面覆盖金属涂层可以起到保护基体的作用，阻止腐蚀环境中活性离子对基体的侵蚀，从而提高基体的耐蚀性。通过电镀Rh的方法在医用316L不锈钢表面制备出致密度较高的Rh金属涂层。经耐蚀性测试后得出以下结论：镀在医用316L不锈钢表面的致密Rh涂层避免了基体直接与腐蚀介质作用，从而提高其耐蚀性性能。同时还发现镀上Rh涂层后，医用316L不锈钢的表面亲水性有所提高，溶血率显著下降，提高了血液相容性[7]。
（2）聚合物涂层
运用组织相容性良好的高分子聚合物材料在316L不锈钢表面制备涂层。这种涂层能起到有效抑制平滑肌细胞过度生长，减少局部炎症以及提高血液相容性的作用。李小燕等[8]采用静电自组装的方法，以丝素肽和壳聚糖为原材料，成功的在医用316L不锈钢的表面制备出了聚合物涂层。分别对表面改性前后试样的动态凝血时间，表面抗血小板作用和溶血率进行了测试，分析测试结果后得出结论：制备涂层后试样的动态凝血时间大大增加，说明该涂层具备显著提高了医用316L不锈钢的血液相容性的能力。
（3）陶瓷涂层
陶瓷涂层具有保护基体不受高温氧化、提高耐腐蚀性和耐磨性的特点。鉴于陶瓷涂层的种种优良特性，刘成龙等[9]采用液相沉积法在316L不锈钢基体上制备了TiO2涂层。用AFM和SEM对陶瓷涂层组织进行表征，之后以Tyrode’s 模拟体液为腐蚀介质，测试试样的耐蚀性。观察涂层截面形貌图，看出TiO2涂层均是由纳米粒子堆积而成，膜层致密光滑；且对比发现随沉积时间逐渐增加，膜层逐渐增厚。最终得出结论：覆盖较厚TiO2涂层的试样在模拟体液中的抗腐蚀性能较强。
（4）类金刚石涂层
类金刚石涂层（DLC）是一种由碳元素构成的涂层。在性质上方面，DLC与钻石的性质类似类似。在结构方面，DLC具有石墨原子组成结构。DLC作为一种非晶态涂层，考虑到它具有硬度高，弹性模量较高，摩擦因素低，耐磨损性能较好的特点，因此可以选用DLC来制备耐磨涂层。F.R.Marciano等[10]利用化学气象沉积法在医用316L不锈钢上制备了Ag-DLC涂层。最终分析表明，除涂层的硬度相对医用316L不锈钢基体有少许下降外，Ag-DLC涂层的其他性能如抗菌性，耐蚀性等均有所提高。
综上所述，制备出一种耐蚀性优良的涂层已成为当前医用316L不锈钢表面改性的热点。
原文链接：http://www.jxszl.com/hxycl/jscl/24697.html
