專利名稱：炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合生物涂層的制備方法，特別是涉及一種炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
炭/炭復(fù)合材料繼承了碳材料固有的生物相容性，同時兼具纖維增強復(fù)合材料的高韌性和高強度的特點。另外，碳纖維預(yù)制體的結(jié)構(gòu)可以進行編織，因而可以根據(jù)人體植入的需要設(shè)計其力學(xué)性能。因此，炭/炭復(fù)合材料是一種綜合性能優(yōu)異的人體骨骼植入體材料，具有較好的應(yīng)用前景。但是，該植入體在使用過程中容易因為摩擦磨損而產(chǎn)生碳微粒， 從而影響炭/炭復(fù)合材料植入體的穩(wěn)定性和使用壽命。此外，炭/炭復(fù)合材料的表面呈現(xiàn)疏水性，難以與人體體液形成良好的交互作用。針對上述問題，研究人員進行了大量的研究。文獻(xiàn)I “V. Pesakova, Z. Klezl, K. Balik, et al. Biomechanical and Biological Properties of the Implant Material Carbon-Carbon Composite Covered with Pyrolytic Carbon.Journal of Materials Science !Materials in Medcine. 2000， 11(12) 793 798”報道了采用化學(xué)氣相沉積工藝在醫(yī)用炭/炭復(fù)合材料表面制備熱解碳涂層，用來阻擋醫(yī)用炭/炭復(fù)合材料植入體產(chǎn)生碳碎片。文獻(xiàn)2 “熊信柏，李賀軍，黃劍鋒，李克智，付業(yè)偉.生物醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料碳化硅涂層的研究.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003 ;21 (3) :356-359”報道了采用包埋法在醫(yī)用炭/ 炭復(fù)合材料表面制備SiC涂層，研究發(fā)現(xiàn)該涂層呈現(xiàn)疏松多孔結(jié)構(gòu)，硅元素呈現(xiàn)梯度變化， 浸提法研究發(fā)現(xiàn)該涂層無毒性。上述的涂層均對醫(yī)用炭/炭復(fù)合材料的表面形成了包裹，因而在一定程度上減少了醫(yī)用炭/炭復(fù)合材料產(chǎn)生的碳碎片，但是涂層的表面仍然呈現(xiàn)疏水性，炭/炭復(fù)合材料與水的接觸角由接近90°。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的制備方法在炭/炭復(fù)合材料表面制備的復(fù)合生物涂層呈現(xiàn)疏水性的不足，本發(fā)明提供一種炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的制備方法。該方法首先采用包埋法在炭/炭復(fù)合材料表面制備SiC涂層，其次采用磁控濺射工藝制備Ti6A14V涂層， 在醫(yī)用炭/炭復(fù)合材料表面形成SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。由于該復(fù)合涂層的內(nèi)層由SiC 陶瓷相構(gòu)成，該SiC與炭/炭復(fù)合材料基體形成化學(xué)結(jié)合并完全包覆炭/炭復(fù)合材料表面， 從而可以阻擋碳碎片的釋放。另外，由于該復(fù)合涂層的外層由均勻致密且親水性的Ti6A14V 構(gòu)成，因而可以使得炭/炭復(fù)合材料由表面疏水轉(zhuǎn)化為表面親水，施加該涂層后炭/炭復(fù)合材料與水的接觸角大大減小。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的制備方法，其特點是包括以下步驟(I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% 85%的Si粉，15% 25%的C粉，5% 15%的 Al2O3粉置于球磨罐中混合處理I 4小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后再放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋，然后加蓋石墨蓋并將石墨坩堝放入真空爐中，通入流量為400 600ml/ min的Ar氣，以5 10°C /min的升溫速度將爐溫升到1800 2200°C并保溫I 3小時， 隨后以5 10°C /min的降溫速度將爐溫降至900 1000°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟(4)制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗12 24小時，然后在濺射功率為400 800w及Ar氣壓力為I 5Pa 條件下濺射10 15小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在炭/炭復(fù)合材料的表面制備SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層，其中SiC內(nèi)層與炭/炭復(fù)合材料形成化學(xué)結(jié)合并完全包覆炭/炭復(fù)合材料表面，從而可以阻擋碳碎片的釋放，而Ti6A14V外層賦予炭/炭復(fù)合材料良好的親水性，使得炭/炭復(fù)合材料與水的接觸角由背景技術(shù)的接近90°減小到40°以下。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖I是實例I制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的掃描電鏡照片。圖2是實例I制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的能譜圖。
具體實施例方式實施例I :(I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量為600g的Si粉，150g的C粉和50g的Al2O3粉，置于球磨罐中混合處理I小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后在放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋，然后加蓋石墨蓋并將石墨坩堝放入真空爐中，通入流量為400ml/min的Ar 氣，以5°C /min的升溫速度將爐溫升到1800°C并保溫I小時，隨后以5°C /min的降溫速度將爐溫降至900°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟⑷制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗12小時，然后在濺射功率為400w及Ar氣壓力為IPa條件下濺射10 小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。經(jīng)測試，本實施例制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層與水的接觸角為 38. 4°。
從圖I可以看出，本實施例制備的復(fù)合生物涂層完全覆蓋炭/炭復(fù)合材料的表面， 呈現(xiàn)顆粒狀形貌。由圖2可以看出，涂層的表面主要有Ti元素、Al元素和V元素構(gòu)成，化學(xué)成分與Ti6A14V外層相一致。實施例2 (I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量為850g的Si粉，250g的C粉，和150g的Al2O3粉置于球磨罐中混合處理4小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后在放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋,然后加蓋石墨蓋并將石墨i甘堝放入真空爐中，通入流量為600ml/min的Ar 氣，以10°C /min的升溫速度將爐溫升到2200°C并保溫3小時，隨后以10°C /min的降溫速度將爐溫降至1000°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟(4)制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗24小時，然后在濺射功率為800w及Ar氣壓力為5Pa條件下濺射15 小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。經(jīng)測試，本實施例制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層與水的接觸角為 32. 5°。實施例3 (I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量為700g的Si粉，200g的C粉和IOOg的Al2O3粉置于球磨罐中混合處理2小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后在放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋，然后加蓋石墨蓋并將石墨坩堝放入真空爐中，通入流量為500ml/min的Ar 氣，以8°C /min的升溫速度將爐溫升到2000°C并保溫2小時，隨后以8°C /min的降溫速度將爐溫降至950°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟⑷制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗20小時，然后在濺射功率為600w及Ar氣壓力為3Pa條件下濺射12 小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。經(jīng)測試，本實施例制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層與水的接觸角為
26.4°。實施例4 (I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量為800g的Si粉，160g的C粉和80g的Al2O3粉置于球磨罐中混合處理3小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后在放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋,然后加蓋石墨蓋并將石墨i甘堝放入真空爐中，通入流量為600ml/min的Ar 氣，以5°C /min的升溫速度將爐溫升到2000°C并保溫3小時，隨后以5°C /min的降溫速度將爐溫降至1000°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟⑷制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗20小時，然后在濺射功率為400w及Ar氣壓力為2Pa條件下濺射10 小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。經(jīng)測試，本實施例制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層與水的接觸角為 26. 6°。實施例5 (I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量為600g的Si粉，250g的C粉和IOOg的Al2O3粉置于球磨罐中混合處理2小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后在放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋，然后加蓋石墨蓋并將石墨坩堝放入真空爐中，通入流量為500ml/min的Ar 氣，以10°C /min的升溫速度將爐溫升到2200°C并保溫2小時，隨后以6°C /min的降溫速度將爐溫降至900°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟(4)制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗15小時，然后在濺射功率為500w及Ar氣壓力為4Pa條件下濺射12 小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。經(jīng)測試，本實施例制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層與水的接觸角為
27.8°。實施例6 (I)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量為750g的Si粉，150g的C粉和50g的Al2O3粉置于球磨罐中混合處理3小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后在放入另一半的粉料B，將樣品A完全覆蓋，然后加蓋石墨蓋并將石墨坩堝放入真空爐中，通入流量為400ml/min的Ar 氣，以10°C /min的升溫速度將爐溫升到1900°C并保溫3小時，隨后以8°C /min的降溫速度將爐溫降至950°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟(4)制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用Ar+對樣品C清洗15小時，然后在濺射功率為700w及Ar氣壓力為2Pa條件下濺射10 小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。經(jīng)測試，本實施例制備的炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層與水的接觸角為 26. 9°。
權(quán)利要求
1.一種炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將炭/炭復(fù)合材料依次用400#和800#砂紙打磨，然后用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得樣品標(biāo)記為A ；(2)分別稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% 85%的Si粉，15% 25%的C粉，5% 15%的Al2O3 粉置于球磨罐中混合處理I 4小時，所得粉料標(biāo)記為B ；(3)將粉料B的一半放入石墨坩堝中，放入樣品A，然后再放入另一半的粉料B，將樣品 A完全覆蓋，然后加蓋石墨蓋并將石墨坩堝放入真空爐中，通入流量為400 600ml/min的 Ar氣，以5 10°C /min的升溫速度將爐溫升到1800 2200°C并保溫I 3小時，隨后以 5 10°C /min的降溫速度將爐溫降至900 1000°C，斷電降溫至室溫，得到樣品C ；(4)將Ti6A14V用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)將樣品C置于磁控濺射儀中并安裝步驟(4)制備的靶材，然后在磁控濺射儀中用 Ar+對樣品C清洗12 24小時，然后在濺射功率為400 800w及Ar氣壓力為I 5Pa條件下濺射10 15小時，即在炭/炭復(fù)合材料表面制備出SiC/Ti6A14V復(fù)合生物涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種炭/炭復(fù)合材料表面復(fù)合生物涂層的制備方法，用于解決現(xiàn)有的制備方法在炭/炭復(fù)合材料表面制備的復(fù)合生物涂層呈現(xiàn)疏水性的技術(shù)問題。技術(shù)方案是首先采用包埋法在炭/炭復(fù)合材料表面制備SiC涂層，其次采用磁控濺射工藝制備Ti6Al4V涂層，在醫(yī)用炭/炭復(fù)合材料表面形成SiC/Ti6Al4V復(fù)合生物涂層。由于該復(fù)合涂層的內(nèi)層由SiC陶瓷相構(gòu)成，該SiC與炭/炭復(fù)合材料基體形成化學(xué)結(jié)合并完全包覆炭/炭復(fù)合材料表面，從而可以阻擋碳碎片的釋放，而Ti6Al4V外層賦予炭/炭復(fù)合材料良好的親水性，使得炭/炭復(fù)合材料與水的接觸角由背景技術(shù)的接近90°減小到40°以下。
文檔編號C04B41/85GK102584338SQ201210038839
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者盧錦花, 張磊磊, 曹 盛, 李賀軍, 趙雪妮 申請人:西北工業(yè)大學(xué)