[发明专利]脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜的热处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合薄膜的热处理方法，特别涉及脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜的热处理方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是一种具有高度生物相容性和生物活性的陶瓷材料，其组分与人骨相同，成为目前临床应用最广泛的种植体薄膜材料之一。HA烧结体的强度和弹性模量都很高，但断裂韧性小，极易发生脆断，常利用表面涂覆技术在钛合金等金属基体制备HA薄膜，但HA与钛合金在热膨胀系数等力学性能上存在较大差异，容易产生裂纹。生物玻璃一般为CaO-SiO₂-P₂O₅系统，如45S5生物玻璃，成分为SiO₂：45％，Na₂O：24.5％，CaO：24.5％，P₂O₅：6％，其生物活性好于HA，而其热膨胀系数低于HA，更接近于钛合金材料的热膨胀系数。因此在钛合金表面制备生物玻璃薄膜受到了人们越来越多的关注，但生物玻璃在体液中溶解太快，限制了其在临床上的应用。

脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)生物薄膜，是利用脉冲激光器所产生的高功率激光束聚焦作用于靶体材料表面，使靶材表面温度迅速升高，并进一步产生高温高压等离子体(T≥10⁴K)，这种等离子体定向局域膨胀发射并在基体上沉积而形成薄膜，成膜过程中，衬底温度越低，薄膜的非晶化越严重。一般认为，衬底温度低于450℃时，利用PLD技术将会获得非晶薄膜。当薄膜处于非晶状态时，薄膜在体液中的溶解速度过快，会影响其在临床中的应用。

脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜既可以协调薄膜与基体的热膨胀系数，又能具有良好的生物活性，但其表面存在大量的球形和不规则形状的颗粒，当衬底温度低(如不高于200℃)时靶材中原有HA成分在沉积后仍旧以非晶的形式存在，影响薄膜性能。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足而提供一种脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜的热处理方法，该种方法可提高非晶薄膜的结晶度，同时可以改善薄膜的组织结构并提高其性能。

本发明解决问题的技术方案是：

脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜的热处理方法，其特征是，将复合薄膜在普通箱式电阻炉上加热，加热速度为4℃/min～5℃/min，加热至600℃～800℃后保温，保温时间为1h～4h，然后随炉冷却。

所述的脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜的热处理方法，优选以下方案：将复合薄膜在普通箱式电阻炉上加热，加热速度为5℃/min，加热至700℃后保温，保温时间为2h，然后随炉冷却。

本发明的有益效果是：热处理后复合薄膜的结晶度提高，700℃热处理2h后薄膜中的HA呈现a轴取向，800℃热处理2h后薄膜中的HA呈现c轴取向；热处理导致薄膜与基体的结合力比原始薄膜的结合力大，600℃热处理1h后薄膜的临界载荷为17.5N。

附图说明

图1为600℃下热处理不同时间后复合薄膜的XRD图谱。

图2为不同热处理温度下处理2h后复合薄膜的XRD图谱。

图3为不同条件下热处理后复合薄膜的划痕测试结果。

具体实施方式

实施例1

脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜的制备：将高结晶的HA和非晶的45S5生物玻璃粉末按重量比1∶1混合，球磨后在240MPa的压力下，冷等静压的方法压成Φ25mm×3mm的薄片靶材，靶材压制后在600℃下热处理2h；将靶材和基体材料固定于反应室中烧蚀和沉积位置，调整基体与靶材之间的距离为5.5cm，采用分子泵对沉积室抽真空到5×10^-5Pa，通过调整真空针阀通入氩气，压力为45Pa，通过电阻丝加热基体，加热速度为40℃/min，加热至温度为200℃，靶材以360r/h、基体以40r/h的速度旋转；启动激光器，激光烧蚀靶材，选用KrF激光器(波长248nm)，激光器频率为5～10Hz，脉冲数目18000，激光输出能量为180～220mJ，能量密度为5J/cm²，激光束与靶材表面成45°角；沉积完成后，关闭加热器电源，基体温度降到100℃后，打开反应室，取出试样。

实施例2

将实施例1中的到的脉冲激光沉积羟基磷灰石-生物玻璃复合薄膜在普通箱式电阻炉上在600℃下热处理，保温1h时间，加热速度为5℃/min，然后随炉冷却。

实施例3