本发明属于材料制备领域，尤其涉及一种碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法。
背景技术：
羟基磷灰石是骨组织的主要无机成分，它在人体骨骼中的质量约占60%～70%，具有良好的生物相容性、生物活性、生物亲和性，不同于其他骨替代材料，羟基磷灰石复合材料在植入人体后，会在植入材料表面与骨的结合面诱导产生一层类似于骨的胶质黏合物，这一结合层是由缺钙碳酸磷灰石晶粒构成，对骨与植入材料能形成骨性键合起到决定性的作用。作为骨替代材料的涂层材料在医用临床已得到广泛应用，但其脆性差、抗折弯强度低、不易加工、对裂纹敏感等缺点，使其仅能用于小型骨的移植，大大限制了其作为优良骨修复材料的临床应用。
碳纤维因较高的弯曲强度、弯曲模量等力学性质，低密度、低的热膨胀系数和化学稳定性被广泛应用于塑料、陶瓷、金属等的增强材料。碳纤维在生物医学方面多充当传统生物材料的增强相，最主要的目的是减轻材料重量的同时保证其力学性能不会降低，例如碳纤维聚二醚酮复合材料，因其弯曲模量与人体骨骼的近似，避免了破坏骨骼表面及骨质疏松的风险，曾被广泛应用于脊柱固定支架。近年来，采用碳纤维聚二醚酮复合材料制作具有更高耐磨性的人工髋关节和膝关节已经被应用与临床中，此外，碳碳复合材料也被用于制作人工骨关节、治疗骨折的骨钉、颌部及中耳移植材。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法。
本发明的技术方案为：
一种碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）分别取硝酸钠、硝酸钙和磷酸二氢铵，用蒸馏水进行调配，使硝酸钠、硝酸钙、磷酸二氢铵的浓度分别为0.1mol/L、6.36×10-4mol/L、3.80×10-4mol/L；（2）用量筒取三种溶液各100ml，共300ml加入烧杯中混合搅拌；（3）将碳纤维放置在丙酮溶液中超声波处理除去表面油污，然后用酒精进行清洗，除去表面的残留丙酮，最后用蒸馏水反复冲洗，除去前两次步骤中碳纤维表面的残留病痛和酒精，将清洗干净的碳纤维放入干燥箱内烘干；（4）将步骤2中配制好的电解液放置于恒温水浴箱中加热；将碳纤维与电化学工作站的负极相连，石墨电极与正极相连，固定好正负极保证其间距为25mm，放入电解液中，调节电流参数及反应时间，反应结束后取出碳纤维，在蒸馏水中漂洗除去表面电解液残留，然后放入干燥箱中烘干。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，所述超声波处理时间为20min。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，所述水浴箱水浴温度100℃。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，步骤（3）所述碳纤维的烘干温度为80℃。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，步骤（4）所述碳纤维的烘干温度为50℃。
本发明的技术效果在于：
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，采用电化学沉积法在碳纤维表面制备了HA涂层，在恒电流模式下，涂层主要由针状的羟基磷灰石晶体组成，当沉积电流较小时，碳纤维基体表面晶核生长点少，几乎没有形成涂层；随着电流的升高，晶核增多，基体表面晶粒分布均匀，离子在碳纤维表面形成均匀的HA涂层，且本发明所述方法工艺简单，易于操作，适于推广应用。
具体实施方式
实施例
一种碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）分别取硝酸钠、硝酸钙和磷酸二氢铵，用蒸馏水进行调配，使硝酸钠、硝酸钙、磷酸二氢铵的浓度分别为0.1mol/L、6.36×10-4mol/L、3.80×10-4mol/L；（2）用量筒取三种溶液各100ml，共300ml加入烧杯中混合搅拌；（3）将碳纤维放置在丙酮溶液中超声波处理除去表面油污，然后用酒精进行清洗，除去表面的残留丙酮，最后用蒸馏水反复冲洗，除去前两次步骤中碳纤维表面的残留病痛和酒精，将清洗干净的碳纤维放入干燥箱内烘干；（4）将步骤2中配制好的电解液放置于恒温水浴箱中加热；将碳纤维与电化学工作站的负极相连，石墨电极与正极相连，固定好正负极保证其间距为25mm，放入电解液中，调节电流参数及反应时间，反应结束后取出碳纤维，在蒸馏水中漂洗除去表面电解液残留，然后放入干燥箱中烘干。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，所述超声波处理时间为20min。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，所述水浴箱水浴温度为100℃。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，步骤（3）所述碳纤维的烘干温度为80℃。
本发明所述的碳纤维便面电沉积羟基磷灰石涂层的方法，步骤（4）所述碳纤维的烘干温度为50℃。
在电沉积过程中，离子在电场力的驱动下，向电极表面运动并形核结晶，因此，一般来说，两极间的电流越大，离子的运动速率越快，阴极附近的HO-过饱和度越高，涂层的沉积速率就越快，如果电场力过小则沉积效率低，甚至离子无法阴极表面形核，难以形成沉积层。总之，沉积电流决定了沉积的速率，并进一步影响涂层的微观形貌。
当电流较小时，由于外加电场不能提供足够的驱动力导致阴极表面晶核生长点较少，几乎没有形成涂层；随着电流的升高，晶核增多，基体表面晶粒分布均匀，离子在碳纤维表面形成均匀的HA涂层；当电流至8mA时，可以发现晶粒成棒状沿垂直于基体表面的方向生长，晶粒尺寸均一，分布均匀，当继续增加沉积电流值15mA时，由于基体表面无法形成新的形核点，HA开始由密集生长趋向于成花簇状的多层生长，涂层厚度增加，甚至出现涂层开裂的现象，电流过高引起的析氢效应也不利于得到均匀、致密的HA涂层。
增加电流密度有利于HA在CF表面沉积，不同电流参数下，晶粒长度始终保持不变，约为500-1000nm，随着电流的逐步增加，晶粒的长径比逐渐变小，从低电流下的针状晶向高电流下的棒状晶生长，直径约为50-100nm，晶粒在基体上的分布也从初始状态下的无序生长向遵循一定生长方向的有序生长阶段过渡。
恒电压模式下，电压的增加对涂层形貌结构的影响更加显著，在电压较低时，离子在碳纤维表面形核较少，无法形成HA涂层，主要生成片状晶粒，当电压逐渐增加，晶粒长径比越来越小，最后以颗粒状的形态涂覆在碳纤维表面，另一方面由于电压增加，涂层的开始变得松散，加之阴极表面不断有氢气析出，导致涂层与基体界面结合减弱，出在恒电流模式下制备的涂层，晶粒尺寸更小，形貌结构更加稳定，涂层与基体的结合情况也优于恒电压模式下制备的涂层。
在沉积时间较短时制备的钙磷涂层表面由分散稀疏、细小的针状晶粒构成，随着沉积时间逐渐增加，基体表面的形核点越来越多，HA逐渐增多，涂层变厚。电解水反应所生成的氢气将不可避免地导致涂层的致密性以及与基体的结合强度下降，所以选择适当的电流参数或者加入适量双氧水等既能保证OH-的过饱和度又可有效避免过多氢气导致的不利影响。电解液的 pH 值对涂层的形成有着重要的影响。pH 值较小时（小于2.5），则 H+浓度较大，使 氢气O 的分解电压降低，致使在阴极的基材上有 氢气析出，影响磷酸盐的生成，因而很难沉积出磷酸盐涂层或沉积出的涂层含有较多气孔，结构疏松。在其它条件相同的条件下，沉积量随着沉积的时间增加而增加，这是由于电化学反应的持续进行，阴极表面的涂层量也就会越来越多。但随着时间的延长，由于涂层覆盖越来越多，阴极的电阻也越来越大，离子的移动逐渐减弱，涂层含量趋于稳定。