CoCrMo合金的PⅢ&D技术表面改性研究

论文摘要

近年来,CoCrMo合金凭借其良好的生物相容性和力学性质逐渐成为骨科植入材料的首选,广泛应用在临床硬组织和器官的替换中,然而Co, Cr离子的潜在毒性在一定程度限制了它的临床应用。为了降低Co, Cr离子的释放,对CoCrMo进行表面改性研究引起了广大研究者的重视。本文采用等离子体浸没离子注入与沉积的方式对CoCrMo合金进行了低压高频氮化处理和类金刚石（DLC）薄膜的沉积。研究了不同氮气气压和射频功率对氮化层成分、结构和性能的影响；进一步研究了C2H2—Ar混合气体中的Ar含量以及基体偏压对类碳薄膜结构和性能的影响；最后对CoCrMo进行了等离子体氮化和DLC薄膜沉积复合处理,研究了复合处理后CoCrMo及其对偶件UHMWPE在25%小牛血清中的摩擦性能。利用X射线衍射谱（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）对氮化层的结构、成分及断面形貌进行了表征,采用电化学腐蚀实验检测氮化层的耐腐蚀性能；利用X射线光电子能谱（XPS）、激光拉曼光谱（Raman）测定了类碳薄膜的结构,使用维氏压痕和划痕法评价了膜基结合力,并用努氏显微硬度仪、销盘式摩擦磨损试验机对两种改性层的机械性能进行了表征。采用往复式摩擦磨损实验分析了经过复合处理的CoCrMo及其对偶件的摩擦性能,并用光镜和扫描电子显微镜观察磨损表面形貌。实验结果表明采用等离子体浸没离子注入与沉积的方式可以有效的对CoCrMo合金进行表面改性,并显著提高CoCrMo的表面性能。对Co合金进行低压高频等离子体浸没离子注入与氮化处理后,材料的机械性能得到一定程度的提高,但耐腐蚀性能明显下降,其表面成分以Cr2N、CrN以及Co2N为主,随着氮气气压的降低和射频功率的升高,氮化层的厚度逐渐增加,样品表面的机械性能呈递增趋势,即较低的气压和较高的功率更有利于氮化层机械性能的提高。在CoCrMo合金上制备DLC薄膜的结果显示,所有薄膜均具有典型类金刚石薄膜的特性,薄膜沉积明显提高了CoCrMo的耐腐蚀性能。随着混合气体中的Ar含量从20%增加到50%,薄膜中的sp3键含量逐渐增加,显微硬度提高,薄膜与基体的结合力和耐磨损性能降低,当Ar含量继续从50%增加到67%,薄膜中的sp3键含量减少,显微硬度相应降低,而薄膜与基体的结合力、耐磨损性能提高。基体偏压由15kV上升到25kV,促进了薄膜中sp3 C-C键向sp2C-C的转变,使硬度降低,膜基结合力和耐磨性能提高,而偏压对腐蚀性能影响不明显。经过复合处理的CoCrMo可显著降低其本身和UHMWPE的磨损程度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 等离子体浸没离子注入与沉积技术
• 1.1.1 等离子体浸没离子注入与沉积设备原理
• 1.1.2 等离子体浸没离子注入与沉积技术的特点
• 1.1.3 等离子体浸没离子注入与沉积技术的各类应用
• 1.2 低压高频等离子体浸没离子注入及氮化技术
• 1.2.1 低压高频等离子体浸没离子注入及氮化技术的发展
• 1.2.2 低压高频等离子体浸没离子注入及氮化技术的应用
• 1.3 DLC薄膜的性质及等离子体浸没离子注入与沉积的合成技术
• 1.3.1 DLC薄膜的性质
• 1.3.2 等离子体浸没离子注入与沉积技术合成DLC薄膜的发展
• 1.4 本论文的研究目及内容
• 第2章 实验方案及内容
• 2.1 样品预处理及改性层的制备
• 2.2 薄膜厚度的测量
• 2.3 改性层的成分、结构及形貌分析
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.3 激光拉曼谱（Raman）
• 2.3.4 SEM形貌分析及EDS能谱分析
• 2.4 改性层的机械性能评价
• 2.4.1 显微硬度测量
• 2.4.2 摩擦磨损性能评价
• 2.4.3 膜基结合力评价
• 2.5 化学腐蚀性能评价
• 第3章 低压高频等离子浸没离子注入及氮化对COCRMO合金氮化处理的研究
• 3.1 工作气压对改性层性能的影响
• 3.1.1 XRD结果及分析
• 3.1.2 XPS结果分析
• 3.1.3 氮化层断面的SEM
• 3.1.4 显微硬度分析
• 3.1.5 摩擦磨损性能评价
• 3.1.6 电化学腐蚀性能分析
• 3.2 射频功率对改性层性能的影响
• 3.2.1 氮化层的X射线衍射（XRD）结果及分析
• 3.2.2 氮化层的光电子能谱（XPS）结果及分析
• 3.2.3 断面SEM相貌分析
• 3.2.4 显微硬度分析
• 3.2.5 摩擦磨损性能分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 使用高压低频等离子体浸没离子注入与沉积技术在COCRMO合金表面沉积DLC薄膜的研究
• 4.1 Ar含量对DLC薄膜结构和性能的影响
• 4.1.1 拉曼光谱（Raman）结果分析
• 4.1.2 光电子能谱（XPS）结果及分析
• 4.1.3 结合力讨论与分析
• 4.1.4 改性层的显微硬度分析
• 4.1.5 摩擦磨损结果与分析
• 4.1.6 电化学极化曲线
• 4.2 偏压对DLC薄膜结构和性能的影响
• 4.2.1 拉曼光谱（Raman）结果分析
• 4.2.2 光电子能谱（XPS）结果及分析
• 4.2.3 结合力结果及分析
• 4.2.4 改性层的显微硬度分析
• 4.2.5 摩擦磨损结果与分析
• 4.2.6 电化学腐蚀性能评价
• 4.3 本章小结
• 第5章 等离子体氮化与DLC薄膜沉积复合处理COCRMO与UHMWPE对磨的磨损性能预实验
• 5.1 CoCrMo的复合处理
• 5.1.1 工艺参数
• 5.2 CoCrMo与UHMWPE对磨的摩擦磨损实验结果
• 5.2.1 UHMWPE的磨损形貌
• 5.2.3 CoCrMo的表面磨损形貌
• 5.3 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 学位期间发表的论文及科研成果