[发明专利]带原位测量功能的多孔金属电沉积装置及其电沉积工艺

说明书

本发明涉及表面处理测量装置及沉积工艺技术领域，具体涉及带原位测量功能的多孔金属电沉积装置及其电沉积工艺。所述装置包括：电沉积系统、参数原位测量系统、溶液循环系统和电源；所述溶液循环系统与所述电沉积系统连接，用于为电沉积系统提供循环电解液；所述参数原位测量系统用于测量电沉积系统中多孔金属电极材料内部的电沉积电镀过程参数；所述电源为所述电沉积系统提供电能。本发明电沉积过程中利用电沉积装置测量所得的参数为依据调整电沉积过程工艺，可以影响多孔钛多孔结构内外的反应过程，使得多孔金属样件全部表面的涂层生长更为均匀，提高不同尺寸的多孔金属的有效沉积厚度。

技术领域

本发明涉及表面处理测量装置及沉积工艺技术领域，具体涉及带原位测量功能的多孔金属电沉积装置及其电沉积工艺。

背景技术

多孔金属应用于治疗骨坏死和骨缺损等骨科临床已成为当前的一个趋势。近年来选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术显现出其特有的优越性。利用SLM技术制备的多孔钛骨植入体，可通过调整支架的尺寸制作出不同孔隙率、孔径及其分布的多孔钛合金，并可在相比铸态组织更宽的力学性能范围内调整材料的抗压缩强度、弹性模量等指标使其符合承载骨的支撑要求。但就材料生物相容性而言，由于材料植入人体后的成骨活性主要由其表面性质决定，因此只需考虑材料的表面特性。SLM多孔金属的三维结构和粗化表面增加了固/液界面面积的同时也增加了几何尺度及表面微环境的不均匀性，进而增加了植入后的腐蚀风险。此外，最关键的是，与自体骨和生物活性人工骨相比，医用金属钛及其合金依然是生物惰性，植入后难以与硬组织形成直接的化学键合，两者之间的结合强度较低，难以满足长期使用要求。这说明相较于致密金属，医用多孔金属的表面改性更为关键。首先其目的是为了保证植入体的生物安全性，以避免植入后由于磨损、腐蚀引发的炎症反应；同时，也是为了增加材料表面的生物活性，提高材料与硬组织的结合强度。

目前，用于多孔金属的表面处理技术主要是化学、电化学方法，因为这两类方法均是在溶液中进行，而溶液可以较容易的进入多孔金属内部。对比化学和电化学方法可以发现化学法工艺虽简单，但沉积效率较低、可调整的工艺参数有限，涂层的可控性差；电化学方法除了溶液因素还可以通过调整能量参数来控制沉积层厚度、化学组成、晶体结构、尺寸等，且沉积效率较高。

但多孔金属电沉积和平板金属(或致密金属)的电化学沉积有明显区别在于：多孔金属的电化学反应过程，由于固、液相电阻引起的欧姆极化，孔隙内溶液的传质阻力引起的浓差极化，导致电极内部各处“电极/电解质”界面上极化分布不均匀。使得在多孔金属的阴极电沉积或阳极微弧氧化过程中，多孔结构外部孔隙所得涂层厚度较高，而深处孔隙涂层厚度较低，即多孔结构内不同厚度处的反应速度甚至是反应机制都是不均匀的。

现有的多孔金属电化学表面处理工艺主要采用致密金属的处理经验，并未针对多孔结构进行工艺、装置上的合理调整，仍然是自然对流条件和常规搅动、打气(这类方法仅能影响多孔电极最外表面的质量传递)条件下的化学、电化学表面处理上，关于强制对流作用——多孔金属的流动电沉积相关装置和工艺的研发还十分缺乏。如文献“多孔钛表面羟基磷灰石形貌及形成机理”李若琳等，中国有色金属学报v23,2013,331-335，即将多孔样品作为表面积放大了的平板金属进行电沉积的前处理(去油、酸洗)、电沉积处理(超声或磁力搅拌条件下)、后处理(碱热处理或模拟体液浸泡等)最终在多孔样件表面，或浅层孔隙内获得CaP涂层、HA涂层。而多孔结构深处很难获得足够、均匀的处理。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种带原位测量功能的多孔金属电沉积装置及其电沉积工艺。本发明基于流动电沉积工艺，搭建了一种可以原位测量多孔金属流动电沉积过程中，位于对电极不同距离处的过程参数(如电势、电流密度、pH、离子浓度等)的电沉积装置及利用此装置处理多孔金属的流动电沉积工艺。通过对电极厚度方向上各参数分布情况的原位测量，从而获得具有不同结构的多孔金属电极在电沉积过程中有效处理厚度的变化，以此为依据调整电解液的流速、流动方式，来提高多孔金属有效电沉积厚度、流动电沉积效率及涂层均匀性。