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针对生物环境的TiNi合金设计及表面改性

崔琳  
【摘要】:TiNi形状记忆合金被认为是最有应用潜力的生物医用金属材料,但是,作为植入人体的材料,它存在形状记忆相变点随成分大幅波动和合金中Ni离子的释放问题。为了解决这些难题,本文研究者利用离散变分法对相变点随成分变化的本质做理论的探索,并研究了TiNi合金表面的羟基吸附行为,为表面改性做理论的铺垫。最后,采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)技术在TiNi合金表面制备类金刚石膜,并对类金刚石薄膜的结构、表面形貌、力学性能以及在Troyde's模拟体液中的耐蚀性能进行了研究与评价。研究结果如下: 1.采用基于密度泛函理论的离散变分Xa方法对Hf、Zr添加对TiNi合金马氏体转变的开始温度(M_s点)影响的电子结构进行分析。结果发现,母相最强键的键级和(110)面的费米能级处的价电子态密度与合金的M_s点有密切的关系,母相单胞最强键的键级越大,(110)面的费米能级处的价电子态密度越小,合金相变温度M_s点越低。 2.通过基于密度泛函理论的离散变分Xa方法的理论计算,确定了在TiNi合金表面,羟基会优先与Ti吸附。对于羟基在TiNi基体(110)和(100)表面吸附的进一步研究指出,羟基在两个表面的整个吸附过程中,都是仅仅与离它最近的一个钛原子发生相互作用。 3.可见Raman光谱分析表明:实验制得的均为典型的类金刚石薄膜。AFM分析表明表面光滑的薄膜由纳米级的非晶态颗粒组成。通过FT-IR分析研究表明:薄膜中含有CH_3、CH_2、CH、Si-O-Si,Si-O-C和Si-CH_3等化学键。 4.本实验制备的类金刚石薄膜的硬度达到了15Gpa,约为TiNi合金基体的5倍,其摩擦系数为0.124,薄膜与基体之间的结合强度为20N。其力学性质与类金刚石膜中含氢非晶态碳膜结构与成分有关。 5.采用PECVD技术,当束电源能量为500V下制备的类金刚石薄膜在Troyde's模拟体液中的耐蚀性能最好。分析发现,上述膜层的腐蚀是由于膜层中存在的缺陷导致的,膜层本身并不参加电化学反应。电化学腐蚀反应过程为:1)形成闭塞电池;2)自催化过程促进基体材料的腐蚀;3)由于基体材料被破坏,薄膜出现剥离现象。


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