涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種抗菌鈦合金制備方法，具體是一種鈦及鈦合金表面高耐磨性和耐腐蝕性抗菌涂層制備方法。
【背景技術】
[0002]鈦及鈦合金在生物醫用領域如醫療器械、手術器械、骨植入體等方面得到廣泛應用，但種植體相關細菌感染仍就是一個嚴重威脅，會帶來一系列并發癥如住院時間延長、治療過程復雜化、種植體失敗、去除種植體、病人的額外痛苦、經濟負擔甚至生命危險。此外，種植體植入人體后，不可避免地與人體骨組織以及體液等人體環境接觸，必然存在磨損、腐蝕等問題。而鈦合金的表面硬度低、磨損性能差嚴重限制了其應用。鑒于上述問題，目前國內外正在積極研究開發各種表面處理方法，以求在提高鈦合金抗菌性的同時并改善其耐磨性和耐蝕性能。
[0003]目前國內關于抗菌鈦及鈦合金材料研究較多。公開號CN102212717 A的發明專利公開了 “一種含銅抗菌鈦合金及其制備方法”，該方法通過粉末冶金法制備出整體性含銅抗菌鈦合金，但此方法消耗的能源和原料多，會造成貴金屬資源的浪費，生產成本較高。由于抗菌鈦及鈦合金發揮抗菌功能的區域是與其他介質接觸的表面，因此，如果能夠在表面制備出抗菌涂層，不僅可以降低能源消耗，還可以節約成本。公開號CN 103160892 A的發明專利公開了 “一種鈦合金鍍銀層的制備方法”，該方法通過化學鍍技術在鈦合金表面制備出鍍銀層。但化學鍍對材料表面要求較高，而且改性層結合力差，不耐磨，在使用過程中容易被破壞而失去抗菌性能，此外，銀的成本相對較高。
[0004]目前用于提高醫用鈦及鈦合金表面耐蝕性和耐磨性的處理方法中，等離子噴涂、化學涂覆法以及電化學方法可使鈦合金的耐蝕性能提高，但膜層與鈦合金基體材料的結合力較差；化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)方法可在鈦金屬基體表面得到TiN、SiC等硬質涂層，但膜層厚度較小，生產效率低。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種銅氮共摻雜多孔Ti02涂層的制備方法，以克服現有抗菌鈦或鈦合金生產成本高，表面抗菌層耐磨性、耐腐蝕差，易衰退或喪失的問題。
[0006]上述目的是通過以下方案實現的。
[0007]—種銅氮共摻雜多孔Ti02涂層的制備方法，所述制備方法是按下列步驟進行的:
[0008]1、鈦合金工件預處理:將鈦及鈦合金工件使用SiC砂紙逐級打磨、拋光直至出現鏡面，再清洗、吹干；
[0009]I1、將預處理好的試樣懸置于含電解液的不銹鋼電解槽體中，試樣作陽極，不銹鋼電解槽體作陰極，啟動雙極脈沖電源，設置電參數，脈沖電壓為300?500V，電流為0.2?0.5A，頻率為500?800Hz，氧化時間為5?lOmin，氧化過程中通過攪拌器攪拌電解液使溶液成分均勻，并通過冷卻系統控制電解液溫度< 30°C ；
[0010]II1、氧化處理完畢后，將試樣放置在離子氮化爐工作臺上，以試樣為陰極，爐體為陽極，抽真空，爐腔內真空度為10?30Pa，通入氨氣并控制氣流量，爐腔內氣壓維持在400?800Pa，施加偏壓，緩慢調節電壓使試樣溫度升至800?1000°C，開始氮化，保溫2?5h后斷開電源，1?2h后關閉氨氣，繼續抽真空，待工件冷卻至室溫關閉冷卻水，打開爐體取出試樣即可在鈦合金表面獲得含銅抗菌涂層。
[0011 ] 在上述技術方案中，所述微弧氧化電解液為含有納米銅的氫氧化鈉和磷酸氫鈉的混合溶液，濃度分別為l-3g/L，2-5g/L和10-20g/L ;所述微弧氧化采用恒流模式，電流密度為:20A/dm2，脈沖電壓為:350?450V，頻率為:800Hz，時間為:5min ;所述制備方法是通過改變微弧氧化電解液中納米銅濃度，獲得不同銅含量的改性層；所述氮化氣壓為:600Pa，氮化溫度為:900°C，氮化時間為:3h。
[0012]該方法采用微弧氧化技術，將納米銅無機抗菌劑引入鈦合金表面形成抗菌層，銅離子的載入可以與微弧氧化生成的二氧化鈦、離子氮化生成的氮化鈦形成協同作用，從而使抗菌層具有耐磨性、耐腐蝕性、生物活性高等特點。
【附圖說明】
[0013]圖1是本方法拋光鈦合金表面抗菌效果圖。
[0014]圖2是本方法含銅涂層抗菌效果圖。
[0015]圖3是本方法含銅抗菌涂層耐腐蝕性效果圖。
具體實施方案
[0016]下面以TA2純鈦為例，詳細說明本發明的【具體實施方式】，使所屬技術領域的技術人員能夠理解和實現。
[0017](1)試樣準備:將TA2純鈦棒材切成?14mmX2mm的工件作為基體，依次使用#360,600,1000、1500SiC砂紙打磨并在拋光布上拋光，直至出現鏡面，最后使用超聲波將基體依次放在丙酮、酒精、蒸餾水中清洗5min，吹干。
[0018](2)電解液配置:在1L蒸餾水中加入15g磷酸氫鈉、2g氫氧化鈉、3g納米銅粉。
[0019](3)氧化處理:將預處理好的試樣懸置于含納米銅電解液的不銹鋼電解槽體中，試樣作陽極，不銹鋼電解槽體作陰極；啟動雙極脈沖電源，設置微弧氧化電參數，脈沖電壓為350?450V，電流為0.3A，頻率為800Hz，氧化時間為5min。氧化過程中通過攪拌器攪拌電解液使溶液成分均勻，并通過冷卻系統控制電解液液溫度< 30°C。
[0020](4)氮化裝爐:將氧化處理的試樣放置在離子氮化金屬爐工作臺上，以爐體為陽極，鈦合金工件為陰極，在工件極外部加裝隔熱屏，以確保良好的氨氣氣氛及穩定的升溫環境，同時起到保溫作用。降下鐘罩，封閉真空室。抽真空，爐腔內真空度為10?15Pa。通入氨氣并控制氣流量，爐腔內氣壓維持在500?600Pa，施加偏壓，緩慢調節電壓使試樣溫度升至90(TC，進行離子氮化。
[0021](5)氮化:保溫3h后緩慢降低電壓至零，lh關閉氨氣，繼續抽真空，待工件冷卻至室溫，關閉冷卻水，打開爐體取出試樣即可在鈦合金表面獲得一種含銅抗菌涂層。
[0022]在上述工藝條件下，可在鈦合金表面制備出綜合性能優異的含銅抗菌涂層。圖1顯示，拋光鈦合金表面有大量細菌粘附。圖2顯示，含銅涂層表面只有很少細菌粘附，說明含銅涂層的抗菌性能明顯提高。圖3顯示，含銅涂層比拋光的鈦腐蝕電位提高，腐蝕電流降低，說明含銅涂層的耐蝕性能提高。
【主權項】
1.一種銅氮共摻雜多孔打02涂層的制備方法，所述制備方法是下列步驟進行的: 1.鈦合金工件預處理:將鈦及鈦合金工件使用Sic砂紙逐級打磨、拋光直至出現鏡面，再清洗、吹干； I1、將預處理好的試樣懸置于含電解液的不銹鋼電解槽體中，試樣作陽極，不銹鋼電解槽體作陰極，啟動雙極脈沖電源，設置電參數，脈沖電壓為300?500V，電流為0.2?0.5A，頻率為500?800Hz，氧化時間為5?lOmin，氧化過程中通過攪拌器攪拌電解液使溶液成分均勻，并通過冷卻系統控制電解液溫度< 30°C ； II1、氧化處理完畢后，將試樣放置在離子氮化爐工作臺上，以試樣為陰極，爐體為陽極，抽真空，爐腔內真空度為10?30Pa，通入氨氣并控制氣流量，爐腔內氣壓維持在400?800Pa，施加偏壓，緩慢調節電壓使試樣溫度升至800?1000°C，開始氮化，保溫2?5h后斷開電源，1?2h后關閉氨氣，繼續抽真空，待工件冷卻至室溫關閉冷卻水，打開爐體取出試樣即可在鈦合金表面獲得含銅抗菌涂層。2.根據權利要求1所述的制備方法，所述微弧氧化電解液為含有納米銅的氫氧化鈉和磷酸氫鈉的混合溶液，濃度分別為l_3g/L，2-5g/L和10-20g/L。3.根據權利要求1所述的制備方法，所述微弧氧化采用恒流模式，電流密度為:20A/dm2，脈沖電壓為:350?450V，頻率為:800Hz，時間為:5min。4.根據權利要求1所述的制備方法，所述制備方法是通過改變微弧氧化電解液中納米銅濃度，獲得不同銅含量的改性層。5.根據權利要求1所述的制備方法，所述氮化氣壓為:600Pa，氮化溫度為:900°C，氮化時間為:3h。
【專利摘要】一種銅氮共摻雜多孔TiO2涂層的制備方法是將預處理好的試樣懸置于含納米銅電解液的不銹鋼電解槽體中，試樣作陽極，不銹鋼電解槽體作陰極，啟動雙極脈沖電源，設置電參數，氧化過程中通過攪拌器攪拌電解液使溶液成分均勻，并通過冷卻系統控制電解液溫度；后將氧化的試樣放置在離子氮化爐工作臺上，試樣作陰極，爐體作陽極，抽真空至極限真空，通入氨氣并控制氣流量使爐腔內氣壓維持在400～800Pa，施加偏壓，令其升溫，保溫一定時間后即可在鈦合金表面形成含銅抗菌涂層。本方法顯著提高了鈦合金表面的生物活性，而且具有優良的耐磨及耐蝕性，確保涂層具有長期的抗菌功能。
【IPC分類】C23C8/36, C25D15/00, C25D11/26
【公開號】CN105369324
【申請號】CN201510796604
【發明人】張翔宇, 賀曉靜, 吳海波, 杭瑞強, 黃曉波, 唐賓
【申請人】太原理工大學
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年11月18日