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一种TaN-稀土复合涂层及其制备方法与流程

2021-10-16 03:20:00 来源:中国专利 TAG:涂层 稀土 制备方法 复合 tan
一种tan

稀土复合涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及医用涂层领域,具体涉及一种tan

稀土复合涂层及其制备方法。


背景技术:

2.钽是具有良好生物相容性和骨诱导性的金属,自1940年,钽首次被应用于骨科医疗,迄今为止,未发现钽金属作为人体植入物产生了不良反应。除钽丝、钽片、多孔钽填充材料以外,近年来钽作为涂层材料沉积于骨科植入体表面受到了广泛关注。医疗实践证明,钽涂层具有优异的化学稳定性、生物相容性和骨诱导能力。
3.然而,钽是一种软质金属,纯钽涂层不是最佳的改性植入体材料,对此,学者们发现氧化钽、碳化钽或氮化钽可以很好的解决这个问题,因而他们具有坚硬和耐磨的优良特性,其中氮化钽的性能尤为突出。但是,在复杂的人体液态环境中,医用植入体的耐腐蚀性能始终面临着严峻的考验,发掘耐腐蚀性能优异的医用材料是一项长期而艰巨的工作。


技术实现要素:

4.针对现有技术存在的问题,本发明旨在提供一种tan

稀土复合涂层及其制备方法,该复合涂层可以进一步优化现有tan涂层的耐腐蚀性能。
5.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
6.a.选用不锈钢作为衬底;
7.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理;
8.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60

80sccm,氮气流量35

50sccm,工作压力1.0

3.0pa,靶基距约6

8cm,基板偏压

60至

80v,溅射温度180

220℃,溅射时间2

2.5h;
9.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400

450℃,退火时间2

3h,升温速率15

20℃/min;
10.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度低于4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80

100kev。
11.进一步地,所述衬底的尺寸为8mm*8mm*3mm。
12.进一步地,所述不锈钢为316l不锈钢。
13.进一步地,所述抛光选用梯度砂纸进行。
14.进一步地,所述除油选用15%的碳酸钠溶液。
15.进一步地,所述清洗选用去离子水并以超声波辅助。
16.进一步地,所述烘干在惰性气体下进行。
17.进一步地,所述镧离子注入量为3.6
×
10
13

9.6
×
10
13
ions/cm2。
18.本发明还提供了一种tan

稀土复合涂层,所述复合涂层由上述方法制备而得。
19.为了提高现有的tan涂层的耐腐蚀性能,本发明创造性的通过离子注入法向tan涂
层中掺入稀土元素镧,离子注入处理后,在tan涂层的表层或近表层区域形成了耐腐蚀性能优异的tan

稀土复合涂层。进一步研究后发现,稀土元素的注入量应控制在合理的范围,因为过多的稀土元素不仅对耐腐蚀性能的提高没有裨益,反而会降低tan涂层的生物相容性。
具体实施方式
20.下面通过具体实施例来验证本发明的技术效果,但是本发明的实施方式不局限于此。
21.实施例1
22.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
23.a.选用尺寸为8mm*8mm*3mm的316l不锈钢作为衬底;
24.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理,其中抛光选用梯度砂纸进行,除油选用15%的碳酸钠溶液,清洗选用去离子水并以超声波辅助;烘干在惰性气体下进行;
25.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60sccm,氮气流量35sccm,工作压力1.0pa,靶基距8cm,基板偏压

60v,溅射温度180℃,溅射时间2h;
26.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400℃,退火时间2h,升温速率20℃/min;
27.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度为4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80kev,镧离子注入量为3.6
×
10
13
ions/cm2。
28.实施例2
29.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
30.a.选用尺寸为8mm*8mm*3mm的316l不锈钢作为衬底;
31.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理,其中抛光选用梯度砂纸进行,除油选用15%的碳酸钠溶液,清洗选用去离子水并以超声波辅助;烘干在惰性气体下进行;
32.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60sccm,氮气流量35sccm,工作压力1.0pa,靶基距8cm,基板偏压

60v,溅射温度180℃,溅射时间2h;
33.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400℃,退火时间2h,升温速率20℃/min;
34.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度为4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80kev,镧离子注入量为6.8
×
10
13
ions/cm2。
35.实施例3
36.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
37.a.选用尺寸为8mm*8mm*3mm的316l不锈钢作为衬底;
38.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理,其中抛光选用梯度砂纸进行,除油选用15%的碳酸钠溶液,清洗选用去离子水并以超声波辅助;烘干在惰性气体下进行;
39.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂
层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60sccm,氮气流量35sccm,工作压力1.0pa,靶基距8cm,基板偏压

60v,溅射温度180℃,溅射时间2h;
40.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400℃,退火时间2h,升温速率20℃/min;
41.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度为4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80kev,镧离子注入量为8.1
×
10
13
ions/cm2。
42.实施例4
43.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
44.a.选用尺寸为8mm*8mm*3mm的316l不锈钢作为衬底;
45.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理,其中抛光选用梯度砂纸进行,除油选用15%的碳酸钠溶液,清洗选用去离子水并以超声波辅助;烘干在惰性气体下进行;
46.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60sccm,氮气流量35sccm,工作压力1.0pa,靶基距8cm,基板偏压

60v,溅射温度180℃,溅射时间2h;
47.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400℃,退火时间2h,升温速率20℃/min;
48.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度为4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80kev,镧离子注入量为9.6
×
10
13
ions/cm2。
49.对比例1
50.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
51.a.选用尺寸为8mm*8mm*3mm的316l不锈钢作为衬底;
52.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理,其中抛光选用梯度砂纸进行,除油选用15%的碳酸钠溶液,清洗选用去离子水并以超声波辅助;烘干在惰性气体下进行;
53.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60sccm,氮气流量35sccm,工作压力1.0pa,靶基距8cm,基板偏压

60v,溅射温度180℃,溅射时间2h;
54.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400℃,退火时间2h,升温速率20℃/min;
55.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度为4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80kev,镧离子注入量为1.5
×
10
13
ions/cm2。
56.对比例2
57.一种tan

稀土复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
58.a.选用尺寸为8mm*8mm*3mm的316l不锈钢作为衬底;
59.b.先后对衬底进行抛光、除油、清洗和烘干处理,其中抛光选用梯度砂纸进行,除油选用15%的碳酸钠溶液,清洗选用去离子水并以超声波辅助;烘干在惰性气体下进行;
60.c.选用纯度为99.9%的高纯ta靶材作为溅射源,在氩气和氮气条件下制备tan涂
层,溅射过程的本底真空度低于1*10
‑4pa,氩气流量60sccm,氮气流量35sccm,工作压力1.0pa,靶基距8cm,基板偏压

60v,溅射温度180℃,溅射时间2h;
61.d.对tan涂层进行真空退火处理,退火温度400℃,退火时间2h,升温速率20℃/min;
62.e.将退火后的tan涂层放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中,调整离子注入设备腔室的真空度为4
×
10
‑4pa,并选用稀土镧离子进行离子注入,离子电压为80kev,镧离子注入量为2.5
×
10
14
ions/cm2。
63.以下,我们对实施例1

4以及对比例1

2的实验样品进行电化学腐蚀实验以评定其耐腐蚀性能,并以未进行离子注入处理的tan涂层作为空白对照组。
64.另外,通过溶血试验评价各样品的生物相容性,其原理在于:将样品与血液直接接触,测定红细胞膜破裂后释放的血红蛋白量,以检测各样品体外溶血程度。血红蛋白的吸收波长为545nm,可用分光光度计检测其浓度。具体操作步骤如下:
65.(1)从健康家兔心脏采血100ml,加入2%草酸钾5ml,制成新鲜抗凝血。取抗凝血40ml,加入0.9%氯化钠注射液50ml进行稀释。
66.(2)取3支硅化试管,一支试管装入试验样品和氯化钠注射液10ml,一支试管空白作为阴性对照组加入氯化钠生理盐水10ml,另外一支试管空白作为阳性对照组分别加入10ml蒸馏水。
67.(3)所有试管在37℃水浴中恒温30min,分别加入5ml抗凝兔血,并在37℃条件下保温60min。
68.(4)取试管上层清液,在545nm波长处测定吸光度。每一样品进行三次平行试验并取平均值。
69.溶血率的计算公式如下:
70.溶血率(%)=(试样平均吸光度

阴性组吸光度)/(阳性组吸光度

阴性组吸光度)
×
100
71.各样品的测试数据如表1所示。
72.表1各样品的腐蚀实验数据及生物相容性数据
73.编号自腐蚀电流密度(μa/cm2)溶血率/%实施例10.2383.5实施例20.2114.6实施例30.1391.2实施例40.0734.7对比例10.4153.3对比例20.0769.7空白对照组0.4293.1
74.从表1可以看出,通过离子注入稀土元素la可以提高tan涂层的耐腐蚀性能,并且,耐腐蚀性能随着稀土注入量的增加而得到相应的提高,但是当稀土含量达到某一值后,继续提高稀土注入量,则对耐腐蚀性能的影响不大。另一方面,稀土注入量较低时,tan涂层的生物相容性呈现出不规律的变化,但整体上与空白对照组相当,而当稀土注入量过多时(如对比例2),则表现出生物相容性急剧下降的态势。
75.以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
再多了解一些

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