钛基表面纳米羟基磷灰石涂层的电泳沉积VIP专享VIP免费

第11卷第1期2005年2月电化学ELECTROCHEMISTRYVol.11No.1Feb.2005文章编号:100623471(2005)0120067205收稿日期:2004204207,3通讯联系人:Tel(862592)22189354,E2mail:cjlin@xmu.edu.cn国家自然科学基金(20273055)、国家863计划(2003AA302230)资助项目钛基表面纳米羟基磷灰石涂层的电泳沉积陈菲1,林昌健31,王周成2(1.厦门大学表面物理化学国家重点实验室,厦门大学化学系,福建厦门361005;2.厦门大学材料科学与工程系,福建厦门361005)摘要:应用沉淀法合成纳米羟基磷灰石,并以电泳沉积法在粗糙化的钛表面制备纳米结构的羟基磷灰石涂层.纳米涂层有利于保持羟基磷灰石的化学组成和结构,制备的涂层均匀并且无裂缝,烧结后涂层仍保持纳米结构,其烧结温度也明显降低。钛表面经化学处理后,可形成很多微孔和TiO2薄层,增强了涂层和基体之间的结合.涂层的结合力为18±2.5MPa,硬度和杨式模量分别为32.0和2.4GPa.关键词:羟基磷灰石;纳米涂层;电泳沉积中图分类号:O646文献标识码:A羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2—HAp)纳米晶体是自然骨中的主要矿物成分.人工合成的羟基磷灰石具有良好的生物相容性,生物活性,并能和周围的骨组织活性结合.但纯HAp材料为脆性材料,限制了它在人体负载部位的使用.为了改善HAp材料的机械性能,发展医用金属表面的HAp涂层是目前研究的热点.等离子喷涂[1],电沉积[2],溶胶-凝胶法[3],浸渍法[4],热喷涂[5],仿生合成[6]等都是目前制备HAp涂层的方法.然而这些方法都有其不足之处,如等离子喷涂需要极高的温度.而电泳沉积(Electrophoreticdeposition,EPD)则是目前制备HAp涂层的一种有效方法[7,8].它是在直流电场作用下,陶瓷体直接从胶体体系中沉积出来的过程[9],可用于在复杂形状表面沉积涂层,但该过程还需一个后续的热处理以使沉积层进一步致密化.为得到理想的结合强度,一般需要较高的烧结温度(>1000℃).但高烧结温度会导致金属性能的恶化和HAp的分解,因此要求HAp粉末具有高的比表面积,纳米粉末可满足此要求.目前,纳米羟基磷灰石的合成已有报道[10,11].与煅烧过的HAp粉末相比,湿化学法合成的纳米HAp粉末具有和自然磷灰石相似的形貌和晶体结构,因此在钛表面制备具有纳米结构的羟基磷灰石涂层将具有更好的生物相容性和生物活性.本文以沉淀法制备纳米羟基磷灰石粉末,以EPD法合成医用金属钛表面的纳米羟基磷灰石涂层,对钛进行表面处理以改善涂层和基底的结合.涂层的机械性能由纳米压痕试验和结合力实验进行测试.1实验1.1纳米羟基磷灰石粉末的制备参照Hayek方法[12]制备HAp粉末,并通过合成方法的改进、降低粉末团聚,获得纳米尺寸的HAp粉末.反应式:10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH=Ca10(PO4)6(OH)2+6H2O+20NH4NO3(1)配制Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4的稀溶液(Ca/P=1.67),以氨水调节溶液的pH(10～11).在持续搅拌中,将(NH4)2HPO4溶液缓慢滴入Ca(NO3)2溶液中,维持体系的pH值不低于9.反应结束后,持续搅拌72h.清洗悬浮液至pH为7,用抽滤除去悬浮液中大部分水,以正丁醇通过共沸蒸馏除去悬浮液中的残余水分,可大幅度降低干燥时粉末的团聚.粉末悬浮液在80℃干燥,400℃除图1纳米羟基磷灰石粉末的XRD谱Fig.1XRDspectraoftheHApnanoparticles图2纳米羟基磷灰石粉末的IR谱Fig.2IRspectraoftheHApnanoparticles去残余有机物,得到松散的纳米粉末.用XRD(D/MAX2RC转靶X2射线粉末衍射仪,日本RIGAKU)和FTIR(NicoletAVATARFT2IR360)检测粉末的成分,比表面积由BET法(SORPTOMATIC1900)测定(300℃除气).1.2钛板的氧化和粗糙化为了提高钛板表面的粗糙度,作如下的氧化和化学刻蚀处理:将钛板浸入1∶1的双氧水(30%)和浓硫酸(98%)的混合物,于室温下浸泡1h,然后分别用去离子水和丙酮清洗.晾干后于120℃烘2h.1.3涂层的制备电泳沉积HAp涂层,若以钛板作阳极,则Ti易被阳极氧化,生成黑色TiO2.本实验以钛板作阴极,圆筒形铝箔(直径4cm)为阳极.HAp粉末超声分散于乙醇溶液中,以稀盐酸调节溶液pH值为4.用直流电进行沉积,电压为10V,时间1min,面积1cm2.涂层晾干后,在800℃,真空下烧结使涂层致密化,提高其结合强度.升温速率为200℃/h,保温2h,降温速率为60℃/h.由XRD作涂层相分析,SEM观察涂层形貌.1.4涂层机械性能的测试1)纳米压痕实验纳米压...