[发明专利]医用钛合金表面复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种医用钛合金表面复合膜及其制备方法和应用，属于新材料领域。医用钛合金表面复合膜，所述复合膜在医用钛合金表面依次由TiN过渡层，Ti₃N₄过渡层和DLC表层构成。该复合膜结构在医用钛合金基体和DLC薄膜表层间设有两层过渡膜层，其中，所述TiN过渡层中，所述TiN具有NaCl型晶体结构，属于面心立方点阵；所述Ti₃N₄过渡层中，所述Ti₃N₄具有金红石型晶体结构。由于层与层之间原子的配位类型的相似性，获得了层间结合牢固的复合膜层，所得复合膜间长期使用不会发生开裂。

技术领域

本发明涉及一种医用钛合金表面复合膜及其制备方法和应用，属于新材料领域。

背景技术

钛合金，具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好，生物相容性好的特点，铁合金的比强度高、力学性质接近人骨，因此，被广泛用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官。然而，钛合金的摩擦系数大，在复杂的人体生理环境下，由于其较差的耐磨性较，严重影响其使用效果及寿命。为解决钛合金的耐磨性问题，目前常用的方法是在其表面镀一层具有较强耐磨性能的薄膜，其中，包括类金刚石薄膜。类金刚石（DLC）薄膜是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性和好的生物相容性，特别适合用于钛合金表面的耐磨涂层。然而，由于钛合金与DLC薄膜存在的内应力，两者之间的结合并不牢固，易发生层间开裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种医用钛合金表面复合膜，该复合膜结构在医用钛合金基体和DLC薄膜表层间设有两层过渡膜层，其各膜层间结合牢固，且内应力小，长期使用不会发生开裂。

医用钛合金表面复合膜，所述复合膜在医用钛合金表面依次由TiN过渡层，Ti₃N₄过渡层和DLC表层构成。

本发明所述TiN过渡层中，所述TiN具有NaCl型晶体结构，属于面心立方点阵。

本发明所述Ti₃N₄过渡层中，所述Ti₃N₄具有金红石型晶体结构。

优选地，所述DLC表层的厚度为1~10微米；所述TiN过渡层的厚度为50~500纳米；所述Ti₃N₄过渡层的厚度为50~500纳米。

优选地，所述DLC表层的厚度为2~5微米；所述TiN过渡层的厚度为100~300纳米；所述Ti₃N₄过渡层的厚度为100~300纳米。

优选地，所述DLC表层沿复合膜由Ti₃N₄过渡层至表面具有梯度硬度，其由靠近Ti₃N₄过渡层的一侧至表面硬度增大。

本发明可通过控制DLC表层制备过程中的参数，控制DLC中碳-碳键sp3杂化比例，进而获得硬度变化的DLC薄膜。

本发明进一步提供上述医用钛合金表面复合膜的制备方法，所述方法包括下述工艺步骤：

1）将钛合金基体进行清洗；

2）沉积TiN过渡层：真空度为5×10^-3Pa，温度250~300℃下，向真空室通入流量为20~50mL/min的氮气，再通入流量为60~120mL/min的氩气，负偏压为120~200V，真空室内气压为0.2~1.0Pa；采用纯钛靶材，靶材功率1~10kW， 基体温度为200~300℃，离子源功率2~5kW，沉积时间为5~30min；