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氟化非晶态碳膜的制备及其性能研究

姚志强  
【摘要】:随着现代材料科学、生命科学以及医学科学的迅猛发展,生物材料在临床医学领域中的应用已日趋广泛。等离子体表面改性技术现已成为生物材料研究的一个热点问题。其中,增强材料表面的疏水性能已成为现代生物医用材料设计的一个发展方向。 类金刚石膜和非晶态碳基薄膜由于具有化学惰性、低摩擦系数、高耐磨性和优异的生物相容性而将成为发展前景广阔的新型生物医用薄膜材料。氟化非晶态碳膜(a-C:F)由于还具有高疏水性、防水性、抗菌性和相对优良的机械性能等已经成功应用在电外科手术等医疗领域。氟化非晶态碳膜随着薄膜氟化程度的不同,其结构从类金刚石状到聚合物状过渡,疏水性从中等到超疏水性变化,因此对氟化非晶态碳膜的结构和性能等进行系统性研究对开发和设计新一代生物医用材料具有很重要的指导意义。 本文采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和等离子体浸没离子注入与沉积(PⅢ-D)工艺,合成出了氟碳比不同的三个系列氟化非晶态碳膜。使用X射线光电子能谱(XPS)、衰减全反射傅立叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、激光拉曼(Raman)、原子力显微镜(AFM)、纳米压痕、纳米划痕、接触角、禁带宽度、血小板粘附试验等对薄膜的结构和性能进行了表征。重点研究了推进气中CF_4含量百分比、基体偏压和CF_4流量对薄膜结构和性能的影响。 XPS和Raman结果表明,等离子体增强化学气相沉积时,随着推进气中CF_4含量百分比的增加,薄膜的氟化程度逐渐增强,薄膜从典型的类金刚石状结构逐渐转化为类聚合物状结构;随着基体负偏压绝对值的增加,薄膜的氟化程度降低,从聚合物状结构逐渐转变为类金刚石结构;等离子体浸没离子注入与沉积时,随着CF_4流量的增加,薄膜的氟化程度先增强后减弱,薄膜从典型的类金刚石状结构逐渐转化为类聚合物状结构。 接触角测量结果表明,随着薄膜氟化程度的增加,在薄膜表面形成疏水 西南交通大学硕士研究生学位论文第日页 性的~CFx(x=l,2,3)基团,使薄膜的疏水性能得到提高,与双蒸水之间的最 大接触角为105。,接近于聚四氟乙烯(PTFE,1100);但低偏压范围内, 单纯地依靠调节偏压并不能显著地提高薄膜的疏水性能。 禁带宽度测量结果表明,a-C:F薄膜的光学带隙与薄膜中键合的F含量和 C=C含量有关,F含量越高,F与C结合形成。键,而使。一。*的带边态密 度得到提高,光学带隙增大:C=C含量越高,光学带隙越小。 纳米压痕和划痕结果表明,氟元素的引入破坏了薄膜固有的C(交联结 构,使得薄膜的硬度有很大程度的降低;采用等离子体浸没离子注入与沉积 工艺合成的薄膜,较等离子体增强化学气相沉积工艺合成的薄膜具有较良好 的机械性能。 体外血小板粘附实验表明,氟搀杂薄膜表面未变形血小板百分比与热解 碳相当,但粘附的数量明显高于未搀杂的薄膜和热解碳;等离子体增强化学 气相沉积合成的薄膜在氟化程度较大且具有类金刚石状结构时,薄膜具有相 对良好的血液相容性:等离子体浸没离子注入与沉积工艺合成的超疏水性薄 膜血小板变形较热解炭严重。


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