CN111534793A - 一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层及其制备方法。一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层的制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积技术，在Ti‑6Al‑4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层；其中，所述的双阴极等离子溅射沉积的工艺参数：靶材电压900‑950V，工件电压300‑350V，极间距8‑10mm，工作气压30‑35Pa，沉积温度650‑800℃，沉积时间3.0‑3.5h；所述的靶材为混合Fe2O3‑Al‑Cr‑Co‑Ni‑Cu靶，其成分配比为：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu。本发明所述的超疏水金属/陶瓷复合涂层能够形成微纳米复合结构的表面形貌，在具有超疏水特性的同时具备高效的杀菌能力。
Description
技术领域
本发明属于医用材料的技术领域，具体涉及一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金因其比强度高、化学稳定性好以及良好的生物相容性等优点，成为目前使用最广泛的医用金属材料之一。然而在手术过程中，由于钛合金本身不具备抗菌能力，此类材料表面携带的细菌或真菌引发的伤口感染是导致手术失败的重要原因之一。因此，提高手术过程中材料表面的抗菌能力是未来医学材料发展的重要方向。其中，在医用钛合金表面制备高硬度、耐磨损、疏水、抗菌的涂层是上述问题的有效解决方案。
有鉴于此，本发明提出一种新的具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷双相复合涂层及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层的制备方法，以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，在Ti-6Al-4V合金表面制备具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层。该涂层利用Cu离子释放和纳米结构的光热效应以及微纳米复合结构的“玫瑰花型”超疏水效应，实现快速杀菌。
为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层的制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积技术，在Ti-6Al-4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层；
其中，所述的双阴极等离子溅射沉积的工艺参数：靶材电压900-950V，工件电压300-350V，极间距8-10mm，工作气压30-35Pa，沉积温度650-800℃，沉积时间3.0-3.5h；
所述的靶材为混合Fe2O3-Al-Cr-Co-Ni-Cu靶，其成分配比为：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu。
进一步地，所述的靶材电压900V。
进一步地，所述的工件电压300V。
进一步地，所述的极间距8mm。
进一步地，所述的工作气压35Pa。
进一步地，所述的沉积温度750℃。
进一步地，所述的沉积时间3h。
进一步地，所述的双阴极等离子溅射的工作气压是指氩气气压。
本发明的另一个目的在于提供一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层，采用上述制备方法制备得到。该涂层具有特殊的微纳米复合结构，能够显著提高钛合金表面的抗菌性能和疏水性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明制备的金属/陶瓷双相复合涂层具有高的硬度和弹性模量。本发明采用双阴极等离子溅射沉积技术制备的金属/陶瓷双相复合涂层由金属相和Fe(Al,Cr)2O4尖晶石陶瓷相构成，其中金属相主要含有Cu、Co、Ni和少量Fe元素，相对质量分数约为32％，晶粒大小分布在约100-500nm范围内，并且两相结合紧密，过渡均匀，如图1所示。该涂层具有高的显微硬度和弹性模量。纳米压入测试结果表明，当压入最大载荷为5mN时，该涂层的硬度为20.9GPa，弹性模量为241.5Gpa，远高于硬度为7.8Gpa、弹性模量为144.5Gpa的Ti-6Al-4V合金，表明该复合涂层在工程应用中能够有效提高Ti-6Al-4V合金的抗载荷能力，良好的机械性能保证了该涂层的机械稳定性。
2、本发明制备的金属/陶瓷双相复合涂层具有极高的抗菌性能。如图2所示，在接触抗菌实验中，参照无机材料抗菌性能测试方法——国标GB/T21510-2008标准，使用金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和白色念珠菌分别在接触20分钟和60分钟后的平板计数照片，可以看到经过60分钟接触培养后，该涂层的抗菌率超过99.9％。
3、本发明制备的金属/陶瓷双相复合涂层具有极高的疏水性和粘水性。如图3所示，该涂层的静态接触角超过150°，并且具有极高的疏水角滞后的特性。即使涂层处于竖直状态，其表面的双蒸水液滴也不会发生运动，表现出优异的超疏水性能和粘水性能。
附图说明
图1为实施例1制备的金属/陶瓷双相复合涂层的明场TEM照片和选区衍射环；
图2为实施例1制备的金属/陶瓷双相复合涂层在接触抗菌实验中，参照无机材料抗菌性能测试方法—国标GB/T 21510-2008标准，使用金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和白色念珠菌分别在接触20分钟和60分钟后的平板计数照片，其中每组照片的左上角为对照组和计算得出的相应抗菌率；
图3为实施例1制备的金属/陶瓷双相复合涂层的静态接触角(体积为4μl的双蒸水)和竖直状态下接触角滞后的照片；
图4为实施例1制备的金属/陶瓷双相复合涂层的扫描电镜图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层及其制备方法，达到预期发明目的，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层及其制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
下面将结合具体的实施例，对本发明一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层及其制备方法做进一步的详细介绍：
本发明的技术方案为：
一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层的制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积技术，在Ti-6Al-4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层，该涂层不仅具有极高的疏水性(高静态表观接触角和高接触角滞后)，而且能够显著提高医用钛合金的抗菌性能；
其中，所述的双阴极等离子溅射沉积的工艺参数：靶材电压900-950V，工件电压300-350V，极间距8-10mm，工作气压30-35Pa，沉积温度650-800℃，沉积时间3.0-3.5h；
所述的靶材为混合Fe2O3-Al-Cr-Co-Ni-Cu靶，其成分配比为：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu。
优选地，所述的靶材电压900V。
优选地，所述的工件电压300V。
优选地，所述的极间距8mm。
优选地，所述的工作气压35Pa。
优选地，所述的沉积温度750℃。
优选地，所述的沉积时间3h。
优选地，所述的双阴极等离子溅射的工作气压是指氩气气压。
实施例1.
具体操作步骤如下：
金属/陶瓷双相复合涂层制备工艺，利用双阴极等离子溅射沉积法，在Ti-6Al-4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层，其中：
a.双阴极等离子溅射工艺参数：
b.溅射的靶材：混合Fe2O3-Al-Cr-Co-Ni-Cu靶，成分配比(质量分数,％)：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu；
c.工件材料的种类：Ti-6Al-4V合金。
图1为金属/陶瓷双相复合涂层的明场TEM照片和选区衍射环。透射电镜观察表明该涂层由晶粒大小为100-500nm的金属相和尖晶石陶瓷相构成，两相结合紧密，过渡均匀。其中，金属相主要由Cu、Co、Ni和少量Fe元素构成，陶瓷相主要为Cr与FeAl2O4存在一定置换形成的Fe(Al,Cr)2O4尖晶石。
并且该涂层具有高的显微硬度和弹性模量，纳米压入测试结果表明，当压入最大载荷为5mN时，该涂层的硬度为20.9GPa，弹性模量为241.5Gpa。
如图2所示，接触抗菌实验表明，该涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和白色念珠菌具有极强的抗菌能力，在接触一小时后抗菌率超过99.9％。
如图3所示，从图3(a)可以看到，该涂层静态接触角达到151.5°，符合超疏水表面的定义，并且从图3(b)可以看到，表面液滴在竖直状态下不会发生运动，具有极高的疏水角滞后特性。接触角测试表明，该涂层静态表观接触角可达151.5°，并且具有极强的疏水角滞后特性，即使涂层处于竖直状态，其表面液滴也不会发生运动，表现出极高的疏水性和粘水性。
如图4所示，该涂层具有大量、密集的针状结构，即具有丰富的波孔，可以吸热，在可见光照条件下，菌液局部温度可以达到60℃，实现光热杀菌效应。
本发明以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，利用Cu离子和纳米结构的协同杀菌效应以及微纳米复合结构的“玫瑰花型”超疏水效应，在Ti-6Al-4V合金表面制备具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层。该涂层具有特殊的微纳米复合结构，能够显著提高钛合金表面的抗菌性能和疏水性能。
实施例2.
具体操作步骤如下：
金属/陶瓷双相复合涂层制备工艺，利用双阴极等离子溅射沉积法，在Ti-6Al-4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层，其中：
a.双阴极等离子溅射工艺参数：
b.溅射的靶材：混合Fe2O3-Al-Cr-Co-Ni-Cu靶，成分配比(质量分数,％)：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu；c.工件材料的种类：Ti-6Al-4V合金。所得涂层综合性能略低于实施例1。
实施例3.
具体操作步骤如下：
金属/陶瓷双相复合涂层制备工艺，利用双阴极等离子溅射沉积法，在Ti-6Al-4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层，其中：
a.双阴极等离子溅射工艺参数：
b.溅射的靶材：混合Fe2O3-Al-Cr-Co-Ni-Cu靶，成分配比(质量分数,％)：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu；c.工件材料的种类：Ti-6Al-4V合金。所得涂层综合性能略低于实施例1。
本发明以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，在医用钛合金材料表面制备具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷双相复合涂层。该涂层主要由含有Cu、Co、Ni和少量Fe元素的金属相和Fe(Al,Cr)2O4尖晶石陶瓷相构成，晶粒大小分布在约100-500nm范围内，硬度达到约Ti-6Al-4V合金的3倍。并且该涂层表面具有特殊的微纳米复合结构，不仅具有超疏水和极强的疏水角滞后的特性，同时该涂层能够利用Cu离子和纳米结构的协同杀菌效应，使材料表面的抗菌率超过99.9％(接触抗菌测试一小时)，显示出巨大的抗菌应用价值。
以上所述，仅是本发明实施例的较佳实施例而已，并非对本发明实施例作任何形式上的限制，依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明实施例技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：利用双阴极等离子溅射沉积技术，在Ti-6Al-4V合金工件表面形成具有微纳米复合结构的金属/陶瓷复合涂层；
其中，所述的双阴极等离子溅射沉积的工艺参数：靶材电压900-950V，工件电压300-350V，极间距8-10mm，工作气压30-35Pa，沉积温度650-800℃，沉积时间3.0-3.5h；
所述的靶材为混合Fe2O3-Al-Cr-Co-Ni-Cu靶，其成分配比为：23.49％Fe2O3，7.93％Al，15.27％Cr，17.33％Co，17.33％Ni，18.65％Cu。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的靶材电压900V。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的工件电压300V。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的极间距8mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的工作气压35Pa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的沉积温度750℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的沉积时间3h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的双阴极等离子溅射的工作气压是指氩气气压。
9.一种具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层，其特征在于，所述的具有抗菌性能的超疏水金属/陶瓷复合涂层采用权利要求1-8任一项制备方法制备得到。
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