类金刚石薄膜改善人工关节摩擦学性能的研究

论文摘要

本文在研究类金刚石薄膜制备工艺的基础上,通过调整软硬非晶碳膜的搭配方式,交替沉积合成了一系列结构和性能不同的类金刚石薄膜。探究了这些结构和性能不同的类金刚石薄膜对人工关节表面性能的改善效果,为类金刚石薄膜在人工关节表面的应用做基础理论研究。对合成的多层类金刚石薄膜利用划痕法研究了薄膜与基体的结合强度;测量了薄膜的显微硬度、纳米硬度及弹性模量。通过拉曼光谱(Raman)及X射线光电子能谱(XPS)对薄膜的结构进行了表征,分析不同结构对性能的影响。在销盘式摩擦磨损试验机上测试了类金刚石多层膜在大气环境下的摩擦磨损性能;将不同结构的类金刚石多层膜在人工关节表面进行模拟沉积,在胎牛血清的模拟体液中对人工关节表面的贴片样品的摩擦学性能作了评价,探讨DLC薄膜对关节表面性能的改性效果。结果表明,多层膜中软硬膜的搭配方式,对薄膜的结构、弹性模量、显微硬度等力学性能影响明显。所制备的薄膜摩擦系数较低,在具有高硬度的同时也能具有高的弹性。本研究中制备的薄膜厚度从0.3μm至1.2μm,薄膜的表面质量随着厚度的增加变差,表面剥落及黑色颗粒增多。人工关节材料表面制备多层类金刚石薄膜之后,材料的显微硬度和弹性模量大幅度提高。随着薄膜中组成膜层的变化,薄膜的硬度和弹性模量也在一个较宽的范围内变化。调整多层类金刚石薄膜中的膜层组成,多层膜的弹性模量最高可以达到398GPa以上,显微硬度最高在60GPa以上,且以DC0v/DC80v的搭配方式下镀制类金刚石薄膜的机械性能最为优异,薄膜的致密性良好。本研究中引入了金属钛的过渡层,显著提高了多层膜与基体的结合力。多层膜具有非常优异的耐磨性能,它与SiC球在大气下对磨的摩擦系数稳定在0.08,在胎牛血清的缓冲液中多层类金刚石薄膜与超高分子聚乙烯对磨,在经过20万循环后薄膜表面完好。在人工关节表面沉积类金刚石薄膜后,与超高分子聚乙烯材料对磨,聚乙烯材料的磨损量明显低于与钴铬合金对磨时的磨损量,且摩擦磨损后薄膜仍然完好。综合研究表明,本文采用磁过滤真空弧源沉积方法合成了具有良好的膜基结合力高硬度、高弹性模量、优异的抗磨损性能的类金刚石多层薄膜。该多层膜有望在改善人工关节摩擦学性能方面应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 关节置换术简介
• 1.2 人工关节材料的研究及发展
• 1.2.1 人工关节用金属材料
• 1.2.2 人工关节用高分子材料
• 1.2.3 陶瓷人工关节
• 1.3 人工关节目前存在的问题
• 1.3.1 关节无菌松动
• 1.3.2 关节失效的原因
• 1.4 金属材料人工关节的表面处理
• 1.4.1 钛合金表面的离子氮化和氧扩渗处理
• 1.4.2 金属假体表面生物陶瓷涂层处理
• 1.4.3 研制粗糙面或多孔面人工关节
• 1.4.4 表面碱热活性处理
• 1.5 类金刚石薄膜的简介
• 1.6 DLC薄膜沉积的人工关节的研究现状
• 第2章 实验方案及表征
• 2.1 实验方案
• 2.2 样品预处理
• 2.3 薄膜制备
• 2.4 薄膜的机械性能评价
• 2.4.1 显微硬度测量
• 2.4.2 纳米硬度测量
• 2.4.3 膜基结合力测量
• 2.4.4 摩擦磨损性能评价
• 2.5 薄膜的结构、成分及形貌表征
• 2.5.1 Raman光谱分析
• 2.5.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.5.3 AMBIOS XP-2台阶仪
• 第3章 钛过渡层对DLC薄膜的结合力的影响
• 3.1 引言
• 3.2 薄膜膜基结合力结果与分析
• 3.2.1 洛氏压痕法
• 3.2.2 划痕实验法
• 3.3 薄膜的摩擦学性能及其他机械性能结果与分析
• 3.3.1 循环式摩擦磨损实验
• 3.3.2 往复式摩擦磨损
• 本章小结
• 第4章 钴铬合金表面多层类金刚石薄膜的制备
• 4.1 薄膜力学性能分析
• 4.2 薄膜摩擦学性能
• 4.2.1 循环式摩擦磨损
• 4.2.2 往复式摩擦磨损
• 4.3 薄膜结构分析
• 4.3.1 组成多层类金刚石薄膜的软硬非晶碳膜的XPS分析
• 4.3.2 多层类金刚石薄膜的Raman光谱分析
• 4.4 钴铬合金表面多层类DLC膜的进一步制备及性能评价
• 4.4.1 薄膜的制备工艺及部分性能
• 4.4.2 摩擦学性能检测结果及分析
• 本章小结
• 第5章 人工关节球头表面贴片沉积类金刚石薄膜及性能评价
• 5.1 实验结果及分析讨论
• 5.1.1 薄膜的厚度及表面粗糙度
• 5.2 贴片样表面薄膜的摩擦学性能
• 5.2.1 摩擦系数
• 5.2.2 摩擦磨损测试后薄膜的表面形貌
• 5.2.3 摩擦磨损测试前后超高分子量聚乙烯的变化
• 5.2.4 摩擦磨损测试后超高分子量聚乙烯的磨损形貌
• 本章小结
• 第6章 多层类金刚石薄膜在其他方面的应用
• 6.1 类金刚石多层膜在超硬铝基体上的应用
• 6.1.1 超硬铝基体耐磨性能
• 6.1.2 SiC与经DLC表面改性的超硬铝间的摩擦学性能
• 6.1.3 45钢与经DLC表面改性间的超硬铝摩擦学性能
• 6.2 类金刚石多层膜在不锈钢基体上的应用
• 6.2.1 不同结构DLC薄膜在不锈钢表面的拉伸、弯曲实验
• 6.2.2 类金刚石薄膜在不锈钢血管支架上的应用
• 6.3 类金刚石多层膜在各种工模具材料上的应用
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文