镍钛合金表面银基复合镀层的制备与性能研究

【摘要】：镍钛合金以其独特的形状记忆与超弹性、良好的生物相容性等成为独具特色的生物医用金属材料；而金属银具有很好的柔韧性和延展性，较好的化学稳定性，优异的导电性能，很强的杀菌能力。本论文的研究目的是在生物医用镍钛合金基体表面进行电镀银，以期改变镍钛合金在生物体内的医用功能，提高镍钛合金在生物体内的抗腐蚀能力；为推动镍钛合金在生物医学中的进一步应用，通过复合镀技术在其表面沉积Ag/PTFE复合镀层，提高了镀银层的耐腐蚀性能和耐磨性能；同时，采用该技术在镍钛合金表面制备Ag/TiO_2复合镀层，研究了复合镀层的耐腐蚀性能、血液相容性和抗菌性能。 本文首先优化了在镍钛合金表面电镀银的工艺，确定其电解液的基本组成及工艺条件为：磺基水杨酸120g/L，氢氧化钾10g/L，硝酸银30g/L，乙酸铵50g/L，氨水55ml/L，pH为9，搅拌速度为250r/min，镀液温度25°C，电流密度为0.4A/dm~2，电镀时间为1h。考察了电流密度和电镀时间对镀银层性能的影响。利用SEM、EDS、XRD等表征了镀层的表面形貌、组成及结构，同时采用开路电位-时间曲线、Tafel极化曲线、电化学交流阻抗法等手段对其耐腐蚀性能进行评价。镀银镍钛合金表面较平整，沉积速率较大，耐腐蚀性能较好。 在电镀银的基础上，往电解液中添加了表面活性剂包覆的PTFE粉末，制备了Ag/PTFE复合镀层。研究了三种类型表面活性剂及其复配制备的复合镀层的耐腐蚀性能，结果表明：添加非离子表面活性剂OP-10为1g/L时制备的复合镀层耐腐蚀性能最佳。在此基础上，研究电镀时间及PTFE的添加量对镀层性能的影响。结果表明：电镀时间为1h制备的镀层较均匀，镀液中PTFE含量的增加能使镀层结晶更加致密，晶粒细化，但PTFE含量过高，镀层中颗粒易聚集使晶粒粗大，镀层表面不均匀，镀液中PTFE的添加量为8g/L时获得的复合镀层的结晶最致密，在此条件下制备的复合镀层的耐腐蚀性能和耐磨性能均最佳。 为了提高镀银镍钛合金的耐腐蚀性能和生物相容性，采用表面活性剂包裹二氧化钛粉末加入、TiO_2粉末直接加入和TiO_2溶胶加入镀液三种方法，制备了Ag/TiO_2复合镀层。研究了表面活性剂种类及用量、TiO_2粉末的加入量、钛溶胶的加入量等因素对复合镀层的影响。采用表面活性剂包覆TiO_2粉末加入镀液的方法来制备Ag/TiO_2复合镀层，通过正交试验确定了较优的表面活性剂及TiO_2的添加量为：阴离子表面活性剂SDS含量为1g/L，TiO_2为30g/L，但Ag/TiO_2复合镀层的耐腐蚀性能不如银镀镍钛合金。采用直接加入TiO_2粉末法制备了Ag/TiO_2复合镀层，考察了镀液中TiO_2的添加量对镀层微观表面形貌和晶体组织结构的影响。随着镀液中TiO_2含量的增加镀层表面变得平坦，但TiO_2含量过高则出现大颗粒团聚，表面粗糙。镀液中TiO_2含量在50g/L时，复合镀层中TiO_2复合量最高、耐腐蚀性能最佳、Ag离子溶出量最少、血液相容性较好，镀层在Hank's溶液中的耐腐蚀性能较镀银镍钛合金好。采用TiO_2溶胶加入法制备Ag/TiO_2复合镀层，研究了溶胶加入量对镀层性能的影响，当TiO_2溶胶加入量为100ml/L、电镀时间为1h时，镀层表面最致密，镀层中TiO_2含量最大，大于直接加入法制备的镀层的复合量，同时复合镀层的耐腐蚀性能较直接加入法好。Ag/TiO_2复合镀层具有良好的抗菌性能。