论文摘要
医用金属生物材料的磨损、腐蚀等原因造成的人工骨和关节材料的无菌松动是影响其长期服役效果和寿命的主要问题。离子注入的膜基结合独特，不会改变基体材料的外观形状和尺寸，用于生物材料表面改性具有独特的优势。Ti6Al4V合金具有优异的综合力学性能和良好的生物相容性，在临床中得到了广泛应用。本论文针对生物医用Ti6Al4V合金存在的磨损、腐蚀、植入感染问题，采用MEVVA源强流金属离子注入机对Ti6Al4V合金进行离子注入。采用GAXRD、FESEM、XPS、AES对不同Ta、Ag离子注入剂量合金表面的形貌、物相组成、化合态、原子浓度分布进行表征。利用纳米力学探针、多功能磨损试样机、表面形貌仪对材料的表面硬度、摩擦磨损性能进行分析。采用动电位极化曲线探讨合金样品的耐腐蚀性能。用平板计数法分析Ag离子注入Ti6Al4V合金样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌作用。得到不同离子注入剂量对Ti6Al4V合金性能的改性影响规律。还对Ta+Ag离子双注入合金的成分、物相结构、表面元素化合态和耐磨损性能、耐腐蚀性能和抗菌性能进行了系统研究。Ta离子注入Ti6Al4V合金样品的加速电压为50kV，注入剂量分别为1．2×1016、3×1016、1．5×1017、3×1017和4．5×1017ions／cm2。除Ta离子注入剂量为3×1017ions／cm2的合金样品外，其它Ta离子注入剂量合金样品的纳米硬度增加，耐磨损性能得到了改善。Ta离子注入合金磨损开始阶段保持低摩擦系数的时间增加，但磨损量不随Ta离子注入剂量的增加单调减小。本试样研究范围内，注入剂量为1．5×1017ions／cm2时Ti6Al4V合金的磨损改性效果最好，与未注入合金相比降低了44％。Ta离子注入引起的润滑减摩作用和硬度提高、Ta离子注入的固溶强化、单质Ta新相的弥散强化、晶粒细化等改善了Ti6Al4V合金的耐磨损性能。Ta离子注入可以明显改善合金抗Hank’s溶液腐蚀性能。Ta离子注入合金表面氧化物层的机械阻挡作用、离子注入表面合金层和Ta的耐腐蚀作用使Ta离子注入合金的耐蚀性能得到了改善。离子注入过程中产生的辐射损伤和注入离子提高材料耐腐蚀性相互平衡，使不同Ta离子注入剂量合金的耐腐蚀性能稍有不同。分别采用Ag离子注入剂量5×1016、1×1017、5×1017和9×1017ions／cm2，加速电压30kV对Ti6Al4V合金进行Ag离子注入。抗菌试验结果表明合金样品的抗菌率不随Ag离子注入剂量的增加单调增加，当Ag离子注入剂量为1×1017ions／cm2时，合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率达到最大值（为78％和62％）。合金表面溶出的Ag离子、注入表面生成的TiAg、Ag和细菌接触，使细菌细胞壁和细胞膜破损，细胞塌陷，细胞的蛋白质等内容物流失，从而使Ag离子注入合金具有抗菌功能；Ag离子注入提高了合金抗Hank’s溶液腐蚀性能，离子注入合金表面生成的氧化物层、离子注入表面合金层防止Cl-离子进入基体，同时阻滞了合金表面金属离子的溶解，生成的Ag和TiAg自身抗腐蚀作用的发挥也有利于合金腐蚀性能的改善。Ag离子注入也改善了合金的抗磨损性能。对Ta+Ag双离子注入合金的表面改性研究表明，双离子注入明显改善了合金的抗磨损性能，其中先注Ag离子(剂量为1×1017ions／cm2)，后注Ta离子(剂量为1．5×1017ions／cm2)样品的抗磨损性能和抗菌作用在3个双注入样品中最好，磨损量比未注入合金样品减少77％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率达到72％和60％。腐蚀电流密度比未注入样品降低83．23％。而先注Ta1．5×1017ions／cm2，后注Ag1×1017ions／cm2样品的腐蚀电流密度降低94．6％。注入合金表面析出的Ag离子、生成的Ag、TtAg、AgO和Ag2O使双注入合金具有抗菌性能。双离子注入合金耐蚀性能的改善归因于注入表面致密的氧化物层，生成的Ta、Ag和TLAg，表面耐蚀合金层的共同作用。