CN112144021B - 一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层及其制备方法 - Google Patents

一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层及其制备方法，属于疏水涂层领域。本发明的制备方法，包括：(1)以高频电刀为基体，采用多弧离子镀溅射Cr靶，在所述基体上沉积Cr层；(2)采用多弧离子镀溅射Cr靶、TiAl靶，溅射离子与溅射腔体内的N2反应，在Cr层上沉积CrTiAlN，同时采用射频磁控溅射PTFE靶，得到共溅射的CrTiAlN‑PTFE涂层，共溅射完成后得到适用于高频电刀的疏水性硬质涂层。发明的制备方法，采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备进行涂层沉积，能够充分发挥两种两种物理气相沉积方法的优势：多弧离子镀制备涂层沉积速率快，结合力强；磁控溅射可制备非金属涂层，涂层致密均匀。

Description

一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于疏水涂层领域，尤其是一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层及其制备方法。
背景技术
表面润湿状态分有两种：亲水和疏水，通常用表面接触角来表示，当表面接触角大于90°时为疏水，当表面接触角小于90°时为亲水。疏水表面的特点是具有低表面能和高的抗粘附性。
聚四氟乙烯(PTFE)是最常见的具有较低表面能的疏水材料，在医用高频电刀表面有广泛的应用，其优良的疏水性能被用来防止手术过程中电刀表面的组织粘连和碳化。但是，PTFE是有一定弹性的有机高分子材料，采用PTFE涂层的高频电刀目前主要存在三个问题：一是涂层包覆后的电刀会被钝化，导致其组织切割性能会大幅下降，手术效率降低；二是PTFE涂层与金属基体结合力低，耐磨性较差，电刀在使用较短时间后会因涂层脱落或磨损重新出现组织粘连问题；三是PTFE涂层的导热性能差，导致电刀表面积聚的热量难以有效传导，使得组织和血液中的水分在电刀表面快速蒸发，发生碳化，降低电刀使用寿命。因此，在保留涂层疏水性能的同时，使其具备良好的耐磨性能和导热性能，是用于医用高频电刀涂层的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于解决采用PTFE涂层的高频电刀存在的钝化、耐磨性和导热性差的问题，提供一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)以高频电刀为基体，采用多弧离子镀溅射Cr靶，在所述基体上沉积Cr层；
(2)采用多弧离子镀溅射Cr靶、TiAl靶，溅射离子与溅射腔体内的N2反应，在Cr层上沉积CrTiAlN，同时采用射频磁控溅射PTFE靶进行共溅射，得到共溅射的CrTiAlN-PTFE涂层，完成后得到适用于高频电刀的疏水性硬质涂层。
进一步的，步骤1)中所述高频电刀的材质为不锈钢、钛合金、钨合金或硬质合金。
进一步的，步骤1)中溅射腔体内的气氛为氩气，步骤2)中溅射腔体内的气氛为氩气和氮气。
进一步的，步骤2)中，TiAl靶中Ti和Al的摩尔比为67:33。
进一步的，步骤1)多弧离子镀沉积Cr层工艺条件为：
工作气压为0.2-0.5Pa，基体偏压为-350～-450V，溅射时间为5-15min。
进一步的，步骤2)中的工艺参数为：
工作气压为2-4Pa，基体偏压为-40～-80V，氩气和氮气的流量比为(1:8)-(1:20)，溅射时间为60-120min。
进一步的，步骤1)中的高频电刀为经丙酮或酒精清洗并干燥后的高频电刀。
本发明的方法制备得到的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层。
进一步的，所述疏水性硬质涂层的静态疏水角大于130°，硬度大于2000HV，摩擦系数小于0.3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，利用多弧离子镀和磁控溅射复合设备进行镀层，首先在基体上采用多弧离子镀沉积Cr层，Cr作为过渡层，大大增强基体与目标涂层的结合力；之后采用多弧离子镀溅射Cr靶、TiAl靶，溅射离子与溅射腔体内的N2反应，在Cr层上沉积CrTiAlN，同时采用射频磁控溅射PTFE靶，得到共溅射的CrTiAlN-PTFE涂层。CrTiAlN-PTFE涂层兼具PTFE的超高疏水性，而引进的CrTiAlN层会从三方便改善涂层性能：一是它与基体的Cr层有良好的结合，使得涂层结合力强，不易脱落；二是CrTiAlN层改善了涂层硬度，避免疏水涂层钝化电刀，增加疏水涂层的使用寿命；三是CrTiAlN层具有良好的导热性能，可快速传导表面积聚热量，避免组织碳化。另一方面，本发明的制备方法，采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备进行涂层沉积，能够充分发挥两种物理气相沉积方法的优势：多弧离子镀制备涂层沉积速率快，结合力强；磁控溅射可制备非金属涂层，涂层致密均匀。本发明的制备方法，兼具涂层设计思想先进、效果优异、制备工艺简单，可重复性高，成本低廉等优势，可直接应用于工业大规模生产。
进一步的，基体包括高频电刀的所有常见材质，如不锈钢、钛合金、钨合金或硬质合金等，本发明的制备方法，适用于各种合金基体，均能具有较好的结合力和硬质疏水性能。
进一步的，CrTiAlN-PTFE涂层成分比例可根据实际应用调节，增加CrTiAlN的比例可提高涂层整体的硬度和耐磨性，疏水性略有降低，可根据实际条件对耐模型和疏水性进行取舍。
本发明的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层，表面涂层成分为CrTiAlN-PTFE，是一种陶瓷-分子复合涂层，在保留PTFE超高疏水性的同时，还具有较大的硬度和较小的摩擦系数，因此具有优异的耐磨性能，可以大大提高涂层的寿命。
进一步的，疏水性硬质涂层的静态疏水角大于130°，硬度大于2000HV，摩擦系数小于0.3，超高疏水角来源于PTFE的良好疏水性能，高硬度来源于CrTiAlN的掺杂，在两种物理气相沉积方法的制备下，表层成分得以充分混合，使得整个涂层具有较低的摩擦系数。
附图说明
图1为实施例1制备的硬质疏水涂层的表面形貌图；
图2为实施例1制备的硬质疏水涂层的接触角测量结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
一种兼具超高疏水性能和良好耐磨性的涂层是市场所亟需的，也即本发明所涉及的硬质疏水涂层。多弧离子镀和磁控溅射是目前主要应用的物理气相沉积(PVD)真空镀膜方法。多弧离子镀具有涂层结合力高、沉积速率快的优点，磁控溅射制备的涂层表面均匀致密，金属、非金属和高分子涂层均可沉积，二者各有侧重，应用领域有所不同。目前随着高新技术的发展，对涂层的功能提出了越来越高的要求，使用具有多弧离子镀和磁控溅射复合功能的设备设计和制备多功能复合涂层成分发展的新趋势。
本发明通过使用多弧离子镀和磁控溅射复合设备，设计了一种兼具PTFE材料的高疏水性和CrTiAlN涂层高耐磨性及良好疏水性的复合涂层，可以使医用高频电刀具有优异的防组织粘连性能和超长的使用寿命。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
采用高频电刀作为基体材料，材质为304不锈钢，具体实施步骤如下：
1)将不锈钢表面依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗，并用吹风机吹干；
2)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积涂层，所采用的靶材为99.99％纯度的Cr靶、99.99％纯度的PTFE靶和TiAl靶，TiAl靶中Ti和Al的摩尔比为67:33，所采用的气体均为纯度99.99％的氩气和氮气；
3)采用多弧离子镀沉积Cr层，工作气压为0.4Pa，基体偏压为-450V，基体温度为室温，Cr靶溅射时间为10min，溅射腔体内的气氛为氩气；
4)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积CrTiAlN-PTFE层，工作气压为3Pa，基体偏压为-80V，在氩气和氮气的流量比为1:10的条件下，Cr靶和TiAl靶进行多弧共溅，同时PTFE靶进行射频溅射，溅射时间为100min；
溅射结束后得到具有硬质疏水涂层的304不锈钢。
参见图1，图1为实施例1制备的具有硬质疏水涂层的304不锈钢的SEM图，从图1可以看出，涂层表面平整，组织均匀。
接触角测量结果如图2所示，其接触角为135.6°，具有疏水性。
利用维氏硬度仪测具有硬质疏水涂层的304不锈钢，涂层硬度为2460HV，摩擦系数为0.26。
实施例2
采用高频电刀作为基体材料，材质为钛合金，具体实施步骤如下：
1)将钛合金表面依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗，并用吹风机吹干；
2)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积涂层，所采用的靶材为99.99％纯度的Cr靶、99.99％纯度的PTFE靶和TiAl靶，TiAl靶中Ti和Al的摩尔比为67:33，所采用的气体均为纯度99.99％的氩气和氮气；
3)采用多弧离子镀沉积Cr层，工作气压为0.2Pa，基体偏压为-400V，基体温度为室温，Cr靶溅射时间为5min，溅射腔体内的气氛为氩气；
4)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积CrTiAlN-PTFE层，工作气压为2Pa，基体偏压为-60V，在氩气和氮气的流量比为1:8的条件下，Cr靶和TiAl靶进行多弧共溅，同时PTFE靶进行射频溅射，溅射时间为60min；
溅射结束后得到具有硬质疏水涂层的钛合金。
实施例3
采用高频电刀作为基体材料，材质为钨合金，具体实施步骤如下：
1)将钨合金表面依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗，并用吹风机吹干；
2)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积涂层，所采用的靶材为99.99％纯度的Cr靶、99.99％纯度的PTFE靶和TiAl靶，TiAl靶中Ti和Al的摩尔比为67:33，所采用的气体均为纯度99.99％的氩气和氮气；
3)采用多弧离子镀沉积Cr层，工作气压为0.5Pa，基体偏压为-350V，基体温度为室温，Cr靶溅射时间为15min，溅射腔体内的气氛为氩气；
4)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积CrTiAlN-PTFE层，工作气压为4Pa，基体偏压为-40V，在氩气和氮气的流量比为1:12的条件下，Cr靶和TiAl靶进行多弧共溅，同时PTFE靶进行射频溅射，溅射时间为120min；
溅射结束后得到具有硬质疏水涂层的钨合金。
实施例4
采用高频电刀作为基体材料，材质为硬质合金，具体实施步骤如下：
1)将硬质合金依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗，并用吹风机吹干；
2)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积涂层，所采用的靶材为99.99％纯度的Cr靶、99.99％纯度的PTFE靶和TiAl靶，TiAl靶中Ti和Al的摩尔比为67:33，所采用的气体均为纯度99.99％的氩气和氮气；
3)采用多弧离子镀沉积Cr层，工作气压为0.3Pa，基体偏压为-400V，基体温度为室温，Cr靶溅射时间为12min，溅射腔体内的气氛为氩气；
4)采用多弧离子镀和磁控溅射复合设备沉积CrTiAlN-PTFE层，工作气压为3Pa，基体偏压为-60V，在氩气和氮气的流量比为1:20的条件下，Cr靶和TiAl靶进行多弧共溅，同时PTFE靶进行射频溅射，溅射时间为80min；
溅射结束后得到具有硬质疏水涂层的硬质合金。
实施例2-实施例4的涂层，经测量，静态疏水角均大于130°，硬度均大于2000HV，摩擦系数均小于0.3。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以高频电刀为基体，采用多弧离子镀溅射Cr靶，在所述基体上沉积Cr层；
(2)采用多弧离子镀溅射Cr靶、TiAl靶，溅射离子与溅射腔体内的N2反应，在Cr层上沉积CrTiAlN，同时采用射频磁控溅射PTFE靶进行共溅射，得到共溅射的CrTiAlN-PTFE涂层，完成后得到适用于高频电刀的疏水性硬质涂层。
2.根据权利要求1所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述高频电刀的材质为不锈钢、钛合金、钨合金或硬质合金。
3.根据权利要求1所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)溅射腔体内的气氛为氩气，步骤2)中溅射腔体内的气氛为氩气和氮气。
4.根据权利要求1所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中，TiAl靶中Ti和Al的摩尔比为67:33。
5.根据权利要求1所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)多弧离子镀沉积Cr层工艺条件为：
工作气压为0.2-0.5Pa，基体偏压为-350～-450V，溅射时间为5-15min。
6.根据权利要求1所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中的工艺参数为：
工作气压为2-4Pa，基体偏压为-40～-80V，氩气和氮气的流量比为(1:8)-(1:20)，溅射时间为60-120min。
7.根据权利要求1所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中的高频电刀为经丙酮或酒精清洗并干燥后的高频电刀。
8.一种由权利要求1～7任一项所述的方法制备得到的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层。
9.根据权利要求8所述的适用于高频电刀的疏水性硬质涂层，其特征在于，所述疏水性硬质涂层的静态疏水角大于130°，硬度大于2000HV，摩擦系数小于0.3。
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