【表面功能化】上海理工大学李伟教授团队：钽掺杂含量对类金刚石薄膜力学性能及生物相容性的影响
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2024-12-18 17:29
重庆
类金刚石薄膜（Diamond Like Carbon-DLC）是一类由sp2-C杂化键和sp3-C杂化键共同组成的三维碳网络的固体材料，其特殊的原子结构使其兼具了石墨和金刚石的许多优点：高硬度和弹性模量、低摩擦因数和磨损率、低表面粗糙度、高绝缘性和耐腐蚀性以及良好的生物相容性能，使DLC薄膜在食品、航空航天、汽车等领域得到广泛的应用。作为具有良好生物相容性的固体润滑材料，类金刚石薄膜可以应用于人工关节的表面改性中。体外实验研究表明，与传统金属人工关节相比，DLC薄膜表面改性的人工关节的耐磨损性能大幅度提高，金属离子的释放速率显著降低。但是其在人工关节临床上的应用并不成功，这是由于薄膜与基体之间的结合力不足，体内腐蚀介质通过薄膜的孔隙到达薄膜/基体界面，腐蚀界面层，导致DLC薄膜剥落，严重制约了它的应用和发展。、适量的异质元素掺杂可以很好地解决这一问题。上海理工大学李伟教授团队选取Ta作为掺杂元素，通过控制Ta靶功率来改变Ta的掺杂含量，探究Ta的掺杂含量对DLC薄膜的微观形貌、组织成分、摩擦性能、力学性能和生物相容性的影响，探究Ta掺杂含量与性能的关系，以找到性能最佳的Ta掺杂比例，进而得到具有优良性能的DLC薄膜，为其在人工关节表面改性以及其他领域的广泛应用奠定基础。
关键词：类金刚石薄膜；磁控溅射；钽掺杂；摩擦磨损性能；生物相容性
1）采用磁控溅射技术制备了不同Ta掺杂含量的DLC薄膜，结果表明，Ta的掺入对薄膜的微观形貌、组织成分、力学性能、摩擦性能以及生物相容性都有显著影响。2）Ta掺入到DLC薄膜后，可以使薄膜表面均匀、组织致密。掺入的Ta可以与C结合形成Ta—C晶体，也可以形成Ta—Ta金属纳米团簇，并在Ta-DLC薄膜中扩散，有效改变了薄膜结构。Ta掺杂后的DLC薄膜的弹性模量和润湿性降低，但薄膜与基体之间的结合力以及断裂韧性提高，干摩擦和湿摩擦环境下的摩擦因数和磨损率大幅度降低，而且无细胞毒性，具有良好的诱导羟基磷灰石形成能力，可以作为生物保护涂层应用于植入体表面。3）随着Ta含量的增加，薄膜中sp3-C键的比例先增大后减小，在Ta-0.4 kW时最高。此时薄膜也拥有着最高的断裂韧性、最高的膜基结合力、低的摩擦因数和磨损率、良好的诱导羟基磷灰石形成能力且无细胞毒性。因此，Ta-0.4 kW的Ta掺杂DLC综合性能最好。该文章发表在《表面技术》第53卷第20期。
引文格式：李东昕, 王静静, 宓保森, 等. 钽掺杂含量对类金刚石薄膜力学性能及生物相容性的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(20): 208-222.
LI
Dongxin, WANG Jingjing, MI Baosen, et al. Effect of Ta Doping Content on Mechanical Properties and
Biocompatibility of Diamond-like Carbon Thin Films[J]. Surface Technology,
2024, 53(20): 208-222.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.019
