专利名称：炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合生物涂层的制备方法，特别是涉及一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法。
背景技术：
炭/炭复合材料继承了碳材料固有的生物相容性，同时兼具纤维增强复合材料的高韧性和高强度的特点。另外，碳纤维预制体的结构可以进行编织，因而可以根据人体植入的需要设计其力学性能。因此，炭/炭复合材料是一种综合性能优异的人体骨骼植入体材料，具有较好的应用前景。但是，该植入体在使用过程中容易因为摩擦磨损而产生碳微粒， 从而影响炭/炭复合材料植入体的稳定性和使用寿命。此外，炭/炭复合材料的表面呈现疏水性，难以与人体体液形成良好的交互作用。针对上述问题，研究人员进行了大量的研究。文献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”报道了采用化学气相沉积工艺在医用炭/炭复合材料表面制备热解碳涂层，用来阻挡医用炭/炭复合材料植入体产生碳碎片。文献2 “熊信柏，李贺军，黄剑锋，李克智，付业伟.生物医用碳/碳复合材料碳化硅涂层的研究.西北工业大学学报，2003 ;21 (3) :356-359”报道了采用包埋法在医用炭/ 炭复合材料表面制备SiC涂层，研究发现该涂层呈现疏松多孔结构，硅元素呈现梯度变化， 浸提法研究发现该涂层无毒性。上述的涂层均对医用炭/炭复合材料的表面形成了包裹，因而在一定程度上减少了医用炭/炭复合材料产生的碳碎片，但是涂层的表面仍然呈现疏水性，炭/炭复合材料与水的接触角由接近90°。
发明内容
为了克服现有的制备方法在炭/炭复合材料表面制备的复合生物涂层呈现疏水性的不足，本发明提供一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法。该方法首先采用包埋法在炭/炭复合材料表面制备SiC涂层，其次采用磁控溅射工艺制备Ti6A14V涂层， 在医用炭/炭复合材料表面形成SiC/Ti6A14V复合生物涂层。由于该复合涂层的内层由SiC 陶瓷相构成，该SiC与炭/炭复合材料基体形成化学结合并完全包覆炭/炭复合材料表面， 从而可以阻挡碳碎片的释放。另外，由于该复合涂层的外层由均匀致密且亲水性的Ti6A14V 构成，因而可以使得炭/炭复合材料由表面疏水转化为表面亲水，施加该涂层后炭/炭复合材料与水的接触角大大减小。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法，其特点是包括以下步骤(I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量分数为60% 85%的Si粉，15% 25%的C粉，5% 15%的 Al2O3粉置于球磨罐中混合处理I 4小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后再放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400 600ml/ min的Ar气，以5 10°C /min的升温速度将炉温升到1800 2200°C并保温I 3小时， 随后以5 10°C /min的降温速度将炉温降至900 1000°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗12 24小时，然后在溅射功率为400 800w及Ar气压力为I 5Pa 条件下溅射10 15小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。本发明的有益效果是本发明在炭/炭复合材料的表面制备SiC/Ti6A14V复合生物涂层，其中SiC内层与炭/炭复合材料形成化学结合并完全包覆炭/炭复合材料表面，从而可以阻挡碳碎片的释放，而Ti6A14V外层赋予炭/炭复合材料良好的亲水性，使得炭/炭复合材料与水的接触角由背景技术的接近90°减小到40°以下。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图I是实例I制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层的扫描电镜照片。图2是实例I制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层的能谱图。
具体实施例方式实施例I :(I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量为600g的Si粉，150g的C粉和50g的Al2O3粉，置于球磨罐中混合处理I小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400ml/min的Ar 气，以5°C /min的升温速度将炉温升到1800°C并保温I小时，随后以5°C /min的降温速度将炉温降至900°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤⑷制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗12小时，然后在溅射功率为400w及Ar气压力为IPa条件下溅射10 小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为 38. 4°。
从图I可以看出，本实施例制备的复合生物涂层完全覆盖炭/炭复合材料的表面， 呈现颗粒状形貌。由图2可以看出，涂层的表面主要有Ti元素、Al元素和V元素构成，化学成分与Ti6A14V外层相一致。实施例2 (I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量为850g的Si粉，250g的C粉，和150g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理4小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖,然后加盖石墨盖并将石墨i甘埚放入真空炉中，通入流量为600ml/min的Ar 气，以10°C /min的升温速度将炉温升到2200°C并保温3小时，随后以10°C /min的降温速度将炉温降至1000°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗24小时，然后在溅射功率为800w及Ar气压力为5Pa条件下溅射15 小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为 32. 5°。实施例3 (I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量为700g的Si粉，200g的C粉和IOOg的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理2小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为500ml/min的Ar 气，以8°C /min的升温速度将炉温升到2000°C并保温2小时，随后以8°C /min的降温速度将炉温降至950°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤⑷制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗20小时，然后在溅射功率为600w及Ar气压力为3Pa条件下溅射12 小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为
26.4°。实施例4 (I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量为800g的Si粉，160g的C粉和80g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理3小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖,然后加盖石墨盖并将石墨i甘埚放入真空炉中，通入流量为600ml/min的Ar 气，以5°C /min的升温速度将炉温升到2000°C并保温3小时，随后以5°C /min的降温速度将炉温降至1000°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤⑷制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗20小时，然后在溅射功率为400w及Ar气压力为2Pa条件下溅射10 小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为 26. 6°。实施例5 (I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量为600g的Si粉，250g的C粉和IOOg的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理2小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为500ml/min的Ar 气，以10°C /min的升温速度将炉温升到2200°C并保温2小时，随后以6°C /min的降温速度将炉温降至900°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗15小时，然后在溅射功率为500w及Ar气压力为4Pa条件下溅射12 小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为
27.8°。实施例6 (I)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量为750g的Si粉，150g的C粉和50g的Al2O3粉置于球磨罐中混合处理3小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后在放入另一半的粉料B，将样品A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400ml/min的Ar 气，以10°C /min的升温速度将炉温升到1900°C并保温3小时，随后以8°C /min的降温速度将炉温降至950°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；
(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用Ar+对样品C清洗15小时，然后在溅射功率为700w及Ar气压力为2Pa条件下溅射10 小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。经测试，本实施例制备的炭/炭复合材料表面复合生物涂层与水的接触角为 26. 9°。
权利要求
1.一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)将炭/炭复合材料依次用400#和800#砂纸打磨，然后用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，所得样品标记为A ；(2)分别称取质量分数为60% 85%的Si粉，15% 25%的C粉，5% 15%的Al2O3 粉置于球磨罐中混合处理I 4小时，所得粉料标记为B ；(3)将粉料B的一半放入石墨坩埚中，放入样品A，然后再放入另一半的粉料B，将样品 A完全覆盖，然后加盖石墨盖并将石墨坩埚放入真空炉中，通入流量为400 600ml/min的 Ar气，以5 10°C /min的升温速度将炉温升到1800 2200°C并保温I 3小时，随后以 5 10°C /min的降温速度将炉温降至900 1000°C，断电降温至室温，得到样品C ；(4)将Ti6A14V用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗后放入真空干燥箱中干燥，得到靶材；(5)将样品C置于磁控溅射仪中并安装步骤(4)制备的靶材，然后在磁控溅射仪中用 Ar+对样品C清洗12 24小时，然后在溅射功率为400 800w及Ar气压力为I 5Pa条件下溅射10 15小时，即在炭/炭复合材料表面制备出SiC/Ti6A14V复合生物涂层。
全文摘要
本发明公开了一种炭/炭复合材料表面复合生物涂层的制备方法，用于解决现有的制备方法在炭/炭复合材料表面制备的复合生物涂层呈现疏水性的技术问题。技术方案是首先采用包埋法在炭/炭复合材料表面制备SiC涂层，其次采用磁控溅射工艺制备Ti6Al4V涂层，在医用炭/炭复合材料表面形成SiC/Ti6Al4V复合生物涂层。由于该复合涂层的内层由SiC陶瓷相构成，该SiC与炭/炭复合材料基体形成化学结合并完全包覆炭/炭复合材料表面，从而可以阻挡碳碎片的释放，而Ti6Al4V外层赋予炭/炭复合材料良好的亲水性，使得炭/炭复合材料与水的接触角由背景技术的接近90°减小到40°以下。
文档编号C04B41/85GK102584338SQ201210038839
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月20日 优先权日2012年2月20日
发明者卢锦花, 张磊磊, 曹 盛, 李贺军, 赵雪妮 申请人:西北工业大学