碳碳复合材料表面等离子体喷涂HA涂层的制备工艺及相关机理研究

《碳碳复合材料表面等离子体喷涂HA涂层的制备工艺及相关机理研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要作为人工骨替换材料，碳／碳复合材料(C／C复合材料)和羟基磷灰石(HA)各自具有不同的优缺点。为了更好地满足人体对骨替换材料的要求，应将这两种材料的优点结合起来，以弥补相互的不足。目前。国内外关于在碳，碳复合材料表面等离子体喷涂羟基磷灰石涂层的报道很少。其研究的关键问题在于提高二者的界面结合强度。本文采用A1203砂粒对碳／碳复合材料表面进行喷砂预处理，以增加其表面的粗糙程度，提高HA涂层与碳，碳基体的结合强度。本文首先对不同性能的碳／碳复合材料及A1203砂粒的粒度进行了优选。然后，利用等离子体喷涂法，

2、在碳，碳基体表面制备HA涂层，以提高其表面的生物活性。此外，还通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子探针(EPMA)、x射线衍射仪(XRD)、红外吸收光谱(FT-IR)和电子拉伸试验机等检测手段，系统地研究了碳／碳复合材料表面HA涂层的等离子体喷涂工艺与涂层的形貌、相组成和结合强度的关系，确定了最佳的喷涂工艺参数。并研究了涂层的成分均匀性、界面结合状况、断裂特性和体外生物学行为。结果表明，在本研究条件下，碳／碳基体经过喷砂处理后，与HA涂层的剪切强度值比未处理的明显提高。随着A1203砂粒的

3、粒度的增大，碳／碳基体表面的粗糙程度增大，与HA涂层的剪切强度值也提高。随着碳／碳基体的密度的增大，喷砂后，其表面的粗糙程度减小，与HA涂层的剪切强度值增大。所以，喷砂预处理能有效地提高HA涂层与碳／碳基体的结合强度。并且，所用砂粒的粒度越大，效果越明显。因此，本文选用高密度的碳，碳复合材料作为基体，并采用粒度为5001am的A1203对其进行喷砂处理。等离子体喷涂后的HA涂层，表面粗糙，主要由饼状、平板状和不规则形状的颗粒紧密粘结而成，并存在着较多的孔隙、微裂纹和气孔。随着喷涂功率的提高和喷涂距离的增大，涂层中

4、颗粒的变形程度明显提高，其形状由扁球状逐渐变为平板状。在外送粉方式下，较大粒度的原始粉体易于形成多孔的涂层，并且，其颗粒的熔化程度明显低于内送粉方式。距离表面不同深度的HA涂层中，孔隙较多，颗粒熔化充分，并相互粘结成一体。喷涂后的HA涂层中，OH‘严重脱落，P043"的吸收峰宽化。所以，涂层中的HA主要为氧羟基磷灰石(OHA)。随着喷涂功率和原始粉体粒度的增l山东大学博士学位论文大，HA涂层的非晶化程度降低，但其与基体的剪切强度值却增大。随着喷涂距离的增大，HA涂层与碳／碳基体的剪切强度先升高后降低，在110mm

5、的喷涂距离时达到最大值。在40kW的喷涂功率下，采用外送粉方式制得的HA涂层的晶相含量和剪切强度均高于内送粉方式。在本试验条件下，HA涂层与碳／碳基体的剪切强度的最大平均值为9．4MPa，其等离子体喷涂条件为：送粉方式为外送粉，喷涂功率为40kW，喷涂距离为110mm，原始HA粉体的粒度为75～1259m。考虑到等离子体喷涂的工艺性的要求，将原始粉体的粒度改为38～75um，其他喷涂参数同上。在此条件下，涂层与基体的平均剪切强度为7．2MPa。在试样的截面上，熔融HA填塞在碳／碳基体的孔隙中，二者结合紧密，界面形

6、状由直线状变为交错状，基体与涂层具有相互钉扎的作用。另外，二者的界面较清晰，没有发生化学反应，所以仍然以机械嵌合为主要结合方式。试样的折断断口有两个主要特征，即：沿着颗粒晶界的脆断和玻璃态的非晶撕裂。试样的剪切断裂大多发生在涂层与基体的界面上或涂层内部。HA涂层的显微硬度的最高值为HV254。TEM分析结果表明，等离子体喷涂后的HA涂层中，存在着非晶HA、颗粒状和条状的晶相HA，CaC03和13-Ca2P207。在透射电镜的电子束的长时间照射下，涂层中的非晶HA能发生相转变，析出晶体并长大。其形状由球状变为不规则

7、形状。距离表面不同深度的HA涂层，均由非晶HA、晶相HA，o—TCP和t3一TCP等组成。越靠近基体，涂层中Ct．TCP的含量越高，HA的分解量越大。电子探针面分析结果表明，距离表面不同深度的HA涂层中，在分析区域内，C，O，P’Ca四种元素的分布均较均匀，没有发生明显的成分偏析。为了研究HA涂层的晶化程度和表面粗糙程度对其体外生物学行为的影响，将40kW喷涂功率和内、外送粉方式下制得的HA涂层及外送粉方式下制得并磨平的HA涂层分别浸泡于模拟体液(SBF)中。结果表明，随着浸泡时间的延长，各浸泡液的ca2+浓度呈

8、近似直线的规律大幅下降，但其PH值呈先快后慢的趋势升高。外送粉方式下制得的未磨平和磨平的HA涂层的表面，均观察到溶解的痕迹，但未磨平的涂层表面的析出物较多。在浸泡初期，新生相的晶粒非常细小。随着时间的延长，沉积颗粒的数量增多，新生粒子长大到200～300nm后，便停止生长并发生团聚，最后连成近似网状的结构。随着浸泡时间的延长，各种涂层的晶相含量均增加，非晶相发生溶解。IT