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钛合金基体表面粗糙度对非晶碳基薄膜综合性能影响研究

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摘 要：钛合金具有较高的耐腐蚀性和疲劳强度，良好的生物相容性，其密度和弹性模量与天然骨匹配性高，具有较好的力学传递性，现已被广泛应用于人工关节。但钛合金较差的耐磨性一直备受诟病，且其磨损后产生大量的金属离子和磨损颗粒，进而会诱发不良生物反应，导致假体周围骨溶解并造成无菌性松动。非晶碳基薄膜涂层改性能够改善钛合金表面的耐磨、耐腐蚀性能，并有效阻止金属离子的释放，但是表面薄膜涂层的中长期耐磨性能仍然是限制其临床应用的瓶颈，而基体表面粗糙度对沉积其上的薄膜在服役环境下的综合性能有着重要的影响。因此，针对人工关节金属材料表面薄膜涂层改性的耐磨性问题，本文制备了四种不同表面粗糙度等级的Ti-6Al-4V钛合金基体，通过低温磁控溅射镀膜设备在其表面沉积非晶碳基薄膜，并利用3D光学轮廓仪、Raman光谱仪、纳米压痕仪、涂层结合强度划痕仪和多向运动植入物材料磨损测试仪等设备，研究了基体表面粗糙度对薄膜表面、内部原子键合结构、力学和耐磨性等综合性能的影响规律。结果表明：薄膜的沉积使得样品表面粗糙度增加，且基体粗糙度越大，该现象愈明显；薄膜的沉积使得样品表面浸润性变差，且粗糙度越大，该现象愈明显；薄膜Raman光谱和纳米压痕结果表明，基体粗糙度对薄膜内部原子键合结构、硬度和弹性模量无明显影响；基体粗糙度小幅增加能够提高薄膜的结合强度，但随其数值的增大，薄膜的结合强度明显降低；沉积在极光滑基体上的薄膜展现了最优的结合强度和最低的磨损率，约为2.55×10-17 m3m-1N-1，但随基体粗糙度的进一步增加，薄膜的磨损率逐步增大，尤其在粗糙度较大的基体表面，薄膜展现高达约1.11×10-15 m3m-1N-1的磨损率，且薄膜发生了大面积的脱落。