CN102584338A - 炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法，用于解决现有的制备方法在炭/炭复合材料表面制备的复合生物涂层呈现疏水性的技术问题。技术方案是首先采用包埋法在炭/炭复合材料表面制备SiC涂层，其次采用磁控溅射工艺制备Ti6Al4V涂层，在医用炭/炭复合材料表面形成SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。由于该复合涂层的内层由SiC陶瓷相构成，该SiC与炭/炭复合材料基体形成化学结合并完全包覆炭/炭复合材料表面，从而可以阻挡碳碎片的释放，而Ti6Al4V外层赋予炭/炭复合材料良好的亲水性，使得炭/炭复合材料与水的接触角由背景技术的接近90°减小到40°以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合生物涂层的制备方法，特别是涉及一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法。
背景技术
炭/炭复合材料继承了碳材料固有的生物相容性，同时兼具纤维增强复合材料的高韧性和高强度的特点。另外，碳纤维预制体的结构可以进行编织，因而可以根据人体植入的需要设计其力学性能。因此，炭/炭复合材料是一种综合性能优异的人体骨骼植入体材料，具有较好的应用前景。但是，该植入体在使用过程中容易因为摩擦磨损而产生碳微粒，从而影响炭/炭复合材料植入体的稳定性和使用寿命。此外，炭/炭复合材料的表面呈现疏水性，难以与人体体液形成良好的交互作用。针对上述问题，研究人员进行了大量的研究。
文献1“V.Pesakova，Z.Klezl，K.Balik，et al.Biomechanical and Biological Propertiesof the Implant Material Carbon-Carbon Composite Covered with Pyrolytic Carbon.Journalof Materials Science：Materials in Medcine.2000，11(12)：793～798”报道了采用化学气相沉积工艺在医用炭/炭复合材料表面制备热解碳涂层，用来阻挡医用炭/炭复合材料植入体产生碳碎片。
文献2“熊信柏，李贺军，黄剑锋，李克智，付业伟.生物医用碳/碳复合材料碳化硅涂层的研究.西北工业大学学报，2003；21(3)：356-359”报道了采用包埋法在医用炭/炭复合材料表面制备SiC涂层，研究发现该涂层呈现疏松多孔结构，硅元素呈现梯度变化，浸提法研究发现该涂层无毒性。
上述的涂层均对医用炭/炭复合材料的表面形成了包裹，因而在一定程度上减少了医用炭/炭复合材料产生的碳碎片，但是涂层的表面仍然呈现疏水性，炭/炭复合材料与水的接触角由接近90°。
发明内容
为了克服现有的制备方法在炭/炭复合材料表面制备的复合生物涂层呈现疏水性的不足，本发明提供一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法。该方法首先采用包埋法在炭/炭复合材料表面制备SiC涂层，其次采用磁控溅射工艺制备Ti6Al4V涂层，在医用炭/炭复合材料表面形成SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。由于该复合涂层的内层由SiC陶瓷相构成，该SiC与炭/炭复合材料基体形成化学结合并完全包覆炭/炭复合材料表面，从而可以阻挡碳碎片的释放。另外，由于该复合涂层的外层由均匀致密且亲水性的Ti6Al4V构成，因而可以使得炭/炭复合材料由表面疏水转化为表面亲水，施加该涂层后炭/炭复合材料与水的接触角大大减小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法，其特点是包括以下步骤：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量分数为60％～85％的Si粉，15％～25％的C粉，5％～15％的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理1～4小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后再放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400～600ml/min的Ar气，以5～10℃/min的升温速度将炉温升到1800～2200℃并保温1～3小时，随后以5～10℃/min的降温速度将炉温降至900～1000℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗12～24小时，然后在溅射功率为400～800w及Ar气压力为1～5Pa条件下溅射10～15小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
本发明的有益效果是：本发明在炭/炭复合材料的表面制备SiC/Ti6Al4V复合生物涂层，其中SiC内层与炭/炭复合材料形成化学结合并完全包覆炭/炭复合材料表面，从而可以阻挡碳碎片的释放，而Ti6Al4V外层赋予炭/炭复合材料良好的亲水性，使得炭/炭复合材料与水的接触角由背景技术的接近90°减小到40°以下。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是实例1制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层的扫描电镜照片。
图2是实例1制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层的能谱图。
具体实施方式
实施例1：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量为600g的Si粉，150g的C粉和50g的Al2O3粉，置于球磨罐中混合处理1小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400ml/min的Ar气，以5℃/min的升温速度将炉温升到1800℃并保温1小时，随后以5℃/min的降温速度将炉温降至900℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗12小时，然后在溅射功率为400w及Ar气压力为1Pa条件下溅射10小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为38.4°。
从图1可以看出，本实施例制备的复合生物涂层完全覆盖炭/炭复合材料的表面，呈现颗粒状形貌。由图2可以看出，涂层的表面主要有Ti元素、Al元素和V元素构成，化学成分与Ti6Al4V外层相一致。
实施例2：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量为850g的Si粉，250g的C粉，和150g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理4小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为600ml/min的Ar气，以10℃/min的升温速度将炉温升到2200℃并保温3小时，随后以10℃/min的降温速度将炉温降至1000℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗24小时，然后在溅射功率为800w及Ar气压力为5Pa条件下溅射15小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为32.5°。
实施例3：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量为700g的Si粉，200g的C粉和100g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理2小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为500ml/min的Ar气，以8℃/min的升温速度将炉温升到2000℃并保温2小时，随后以8℃/min的降温速度将炉温降至950℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗20小时，然后在溅射功率为600w及Ar气压力为3Pa条件下溅射12小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为26.4°。
实施例4：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量为800g的Si粉，160g的C粉和80g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理3小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为600ml/min的Ar气，以5℃/min的升温速度将炉温升到2000℃并保温3小时，随后以5℃/min的降温速度将炉温降至1000℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗20小时，然后在溅射功率为400w及Ar气压力为2Pa条件下溅射10小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为26.6°。
实施例5：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量为600g的Si粉，250g的C粉和100g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理2小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为500ml/min的Ar气，以10℃/min的升温速度将炉温升到2200℃并保温2小时，随后以6℃/min的降温速度将炉温降至900℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗15小时，然后在溅射功率为500w及Ar气压力为4Pa条件下溅射12小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为27.8°。
实施例6：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量为750g的Si粉，150g的C粉和50g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理3小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400ml/min的Ar气，以10℃/min的升温速度将炉温升到1900℃并保温3小时，随后以8℃/min的降温速度将炉温降至950℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗15小时，然后在溅射功率为700w及Ar气压力为2Pa条件下溅射10小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为26.9°。
Claims (1)
1.一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A；
(2)分别称取质量分数为60％～85％的Si粉，15％～25％的C粉，5％～15％的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理1～4小时，所得粉料标记为B；
(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后再放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400～600ml/min的Ar气，以5～10℃/min的升温速度将炉温升到1800～2200℃并保温1～3小时，随后以5～10℃/min的降温速度将炉温降至900～1000℃，断电降温至室温，得到样品C；
(4)将Ti6Al4V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗12～24小时，然后在溅射功率为400～800w及Ar气压力为1～5Pa条件下溅射10～15小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。
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