镁合金表面类金刚石膜的研究进展

类金刚石碳（DLC）膜具有高硬度、低摩擦系数、强化学惰性及生物相容性好等优异性能，镁合金表面制备DLC膜可极大地改善基体的使用性能。综述了采用不同制备技术在镁基体表面获得的多种DLC膜系的抗磨损及耐腐蚀性能，并展望了DLC膜表面改性镁合金的医用前景，指出镁合金表面制备DLC膜是其表面改性技术中具有前景的一个研究方向。     

MAO层厚度对MAO/DLC复合膜层力学性能与摩擦学特性的影响

借助直流脉冲微弧氧化(MAO)电源,采用恒压模式在AZ80镁合金表面制备四种不同厚度MgO陶瓷层,并以此为基,采用离子束复合磁控溅射技术沉积类金刚石碳(DLC)膜,对比研究了四种膜层体系(MAO-1min/DLC、MAO-3min/DLC、MAO-5min/DLC及MAO-10min/DLC)的表面结构特征、力学性能以及摩擦学性能差异。结果表明:随MAO层厚度增加,复合膜层表面微孔的孔径增大,表面粗糙度增加,且表层DLC膜具有颗粒特征,表现为MAO-3min/DLC及MAO-10min/DLC复合膜层具有较高的纳米硬度和弹性模量,且在磨损过程中对应的摩擦系数与磨痕宽度较小,其抗磨损性能优异;各复合膜层体系在磨损过程中摩擦系数均有波动,产生高温氧化,磨痕表面形成了Fe的转移层;MAO层可提高基体对DLC膜的支撑强度,表层DLC膜对磨损界面具有的润滑作用是复合膜层改善镁基体抗磨损性能之原因所在。     

气相沉积膜层在镁合金表面改性中的应用

综述了气相沉积膜层的特性、制备技术的发展及其在镁合金表面改性中的应用,重点介绍了利用PVD和CVD技术在镁合金表面沉积保护性膜层的研究现状,并指出气相沉积膜层是传统电化学镀层的良好替代物,在镁合金表面改性中具有广阔的应用前景.     

DLC膜厚度对镁基表面DLC/MAO复合膜层性能的影响

采用线性离子束沉积技术于AZ80镁合金微弧氧化(MAO)陶瓷层表面沉积不同厚度的类金刚石碳(DLC)膜,形成DLC/MAO复合膜层。对比研究4种膜基系统的表面结构特征、力学性能以及摩擦学性能差异。结果表明:随DLC膜厚度增加,复合膜层表面微孔数量减少,孔径减小,但凹凸不平趋势增加,且DLC膜表面颗粒特征更加明显,表现为DLC-80min/MAO/AZ80膜基系统具有最小的表面粗糙度,最大的硬度H、弹性模量E及H/E值;不同厚度DLC/MAO/AZ80膜基系统平均摩擦因数较MAO/AZ80显著降低;DLC膜厚度增加导致3种复合膜基系统的表面微观结构改变,使得摩擦因数与磨痕形貌存在差异;各膜基系统表面磨痕处均形成了Fe的转移层,由于表层DLC膜"裸露"的大量C对磨损界面具有很好的润滑作用,而使得镁合金基体获得有效保护。     

医用镁合金植入材料的发展策略及演进趋势EI北大核心

镁合金凭借其优异的生物安全性、生物诱导性、生物相容性及可贵的自降解性能,在骨植入及心血管支架领域具有广泛的临床应用前景。本文从合金化、制备方法、热处理及表面改性这四方面系统综述了近年来医用镁合金的研究进展,重点分析了各种工艺及表面改性方法的基本原理、技术优劣势,总结了它们对镁合金组织、性能的影响。针对镁合金临床应用的瓶颈,提出医用镁合金植入材料的最佳发展策略:一方面,通过合金化、制备方法及热处理三种工艺的协同耦合实现与自然骨组织力学行为的有效匹配;另一方面,通过表面改性处理实现对镁合金降解速率的精准调控。通过两种或多种表面改性技术的组合与交互来实现多功能性需求将成为未来镁合金表面改性技术的主要演进趋势。     

类金刚石薄膜在不锈钢表面结合强度及耐腐蚀性研究

类金刚石(DLC)薄膜与不锈钢的结合强度是DLC薄膜应用于血管支架表面改性的关键技术问题.利用磁过滤阴极真空弧源沉积方法在316L不锈钢表面沉积DLC薄膜,研究沉积时基体偏压、薄膜厚度以及钛过渡层对DLC薄膜与基体结合强度的影响.研究结果表明,316L表面制备相同厚度的DLC薄膜,采用-1000V脉冲偏压制备的薄膜结合强度明显优于-80V直流偏压下制备的DLC薄膜;随着DLC薄膜厚度的增大,DLC薄膜与316L基体的结合力下降;316L不锈钢表面制备一层100nm的钛过渡层之后可以改善DLC薄膜的结合状况,并且经过20%的拉伸变形后,DLC薄膜完整,耐蚀性优于未表面处理的316L不锈钢.以上研究结果表明,磁过滤阴极真空弧源方法制备DLC薄膜与316L结合强度高,可以有效的提高316L的耐腐蚀性,是一种具有应用前景的血管支架表面改性方法.     

医用镁合金植入材料的发展策略及演进趋势

镁合金凭借其优异的生物安全性、生物诱导性、生物相容性及可贵的自降解性能,在骨植入及心血管支架领域具有广泛的临床应用前景。本文从合金化、制备方法、热处理及表面改性这四方面系统综述了近年来医用镁合金的研究进展,重点分析了各种工艺及表面改性方法的基本原理、技术优劣势,总结了它们对镁合金组织、性能的影响。针对镁合金临床应用的瓶颈,提出医用镁合金植入材料的最佳发展策略：一方面,通过合金化、制备方法及热处理三种工艺的协同耦合实现与自然骨组织力学行为的有效匹配;另一方面,通过表面改性处理实现对镁合金降解速率的精准调控。通过两种或多种表面改性技术的组合与交互来实现多功能性需求将成为未来镁合金表面改性技术的主要演进趋势。     

Si3N4球/DLC膜摩擦副在真空环境下的摩擦学行为研究

采用非平衡磁控溅射技术在高速钢基体上制备了类金刚石(DLC)膜。采用球盘式摩擦磨损试验机考察了DLC膜在大气和真空环境干摩擦条件下的摩擦学性能,并比较分析了GCr15钢球和Si3N4球不同摩擦配副对DLC膜的摩擦学性能。采用光学显微镜及扫描电镜观察了摩擦副的磨损表面形貌。研究结果表明:由于转移膜的形成Si3N4球/DLC膜摩擦副在大气下具有良好的摩擦学性能;而在真空条件下摩擦副易发生明显的粘着磨损,使摩擦系数、磨斑增加,磨损表面上存在着较多的片状磨屑和微米级颗粒。     

7A04铝合金表面DLC薄膜制备及性能研究

为提高7A04铝合金的表面性能,利用射频辅助等离子体浸没离子注入与沉积设备,在其表面制备类金刚石(DLC)薄膜。由于DLC薄膜与铝合金基体力学性能差别较大,导致膜基结合力差。本研究采用非平衡磁控溅射技术预先沉积一层Si膜,作为过渡层改善膜基结合力;利用激光拉曼光谱仪、维式显微硬度计、纳米划痕仪、摩擦磨损试验机等设备,系统分析了薄膜结构、显微硬度、膜基结合力及耐磨损性能。结果表明,Si过渡层的制备提高了基体的承载能力和膜基结合力,进而使耐磨损性能得到大幅度提高。     

镁合金离子注入表面改性技术研究进展

离子注入是一种提高镁合金表面性能的重要处理技术。介绍了离子注入的改性原理,综述了该技术在提高镁合金表面硬度、耐磨性,改善耐蚀性、抗氧化性及生物医学性能等方面的应用,并展望了镁合金离子注入表面改性技术的发展方向和应用前景。     

AZ31镁合金表面磁控溅射Zr(Al,Ti)-SiN_x复合薄膜及其耐蚀性能

镁合金表面沉积薄膜可以提高其耐蚀性,但现有的几种沉积方法得到的膜疏松、与基体结合力差,影响了其耐腐蚀性能.为此,采用磁控溅射法在AZ31镁合金表面制备了Al,Zr,Ti膜及其与SiN_x的复合薄膜.用扫描电镜、X射线衍射、XPS研究了金属膜及其与SiNi_x复合薄膜的晶体结构、表面形貌和化学成分.结果表明:所制备的SiN_x薄膜为非晶态的富N膜;Zr膜的耐腐蚀性最好,Al膜的保护性最差;Zr-SiN_x复合薄膜比AZ31镁合金的腐蚀电流密度降低了3个数量级,Ti-SiN_x复合薄膜在阳极极化区出现了钝化.SiN_x复合薄膜的耐腐蚀性优于AZ31镁合金和单一金属膜.     

聚苯胺膜在AZ91镁合金表面的生长过程

用SEM研究了碱性溶液中聚苯胺膜在AZ91镁合金表面的生长过程，并用红外光谱和极化曲线法初步研究了聚苯胺的结构和防腐特点。结果表明，聚苯胺膜首先在某一部位吸附，然后向四周延伸扩展生长，最后膜覆盖镁合金表面并形成类似晶界的交界面。交界线为显微裂缝。在碱性溶液中在镁合金表面制备的聚苯胺膜与在酸性溶液中制备的聚苯胺膜结构不同。聚苯胺膜能够改善AZ91镁合金的耐蚀性。     

Structure, mechanical and tribological properties of diamond-like carbon films on aluminum alloy by arc ion plating

The low hardness and poor tribological performance of aluminum alloys restrict their engineering applications. However, protective hard films deposited on aluminum alloys are believed to be effective for overcoming their poor wear properties. In this paper, diamond-like carbon (DLC) films as hard protective film were deposited on 2024 aluminum alloy by arc ion plating. The dependence of the chemical state and microstructure of the films on substrate bias voltage was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy. The mechanical and tribological properties of the DLC films deposited on aluminum alloy were investigated by nanoindentation and ball-on-disk tribotester, respectively. The results show that the deposited DLC films were very well-adhered to the aluminum alloy substrate, with no cracks or delamination being observed. A maximum sp³ content of about 37% was obtained at −100 V substrate bias, resulting in a hardness of 30 GPa and elastic modulus of 280 GPa. Thus, the surface hardness and wear resistance of 2024 aluminum alloy can be significantly improved by applying a protective DLC film coating. The DLC-coated aluminum alloy showed a stable and relatively low friction coefficient, as well as narrower and shallower wear tracks in comparison with the uncoated aluminum alloy.     

NiTi合金上沉积氮化碳薄膜的力学和血液相容性研究

采用磁控溅射法在生物医用NiTi合金基体表面制备了Ti/CN_x（x≈0.26）梯度薄膜,并制备了Ti/类金刚石(DLC)以及Ti/TiN薄膜进行对比研究. 利用显微硬度计、划痕仪比较分析了上述各薄膜的力学性能,通过表面接触角法研究了薄膜的亲水性. 着重测试并分析了溶血率和血小板粘附行为,进而对薄膜的血液相容性进行评估. 结果表明：Ti/CN_x梯度薄膜与NiTi合金基底的结合牢固,结合力达到63.6N. Ti/CN_x薄膜硬度为23.01GPa,和Ti/TiN薄膜硬度相当,略高于Ti/DLC薄膜. 溶血率和血小板粘附试验表明,Ti/CN_x梯度薄膜能有效改善NiTi合金基底的亲水性和血液相容性,与Ti/TiN和Ti/DLC薄膜相比,Ti/CN_x梯度薄膜具有最小的溶血率,仅为1.12％,并且无论在血小板的粘附数量还是在血小板变形程度都最少,因此具有良好的血液相容性.     

AZ91镁合金表面MgFe_2O_4薄膜的溶胶-凝胶法制备及其耐蚀性能

MgFe2O4耐酸耐碱,但目前还未见将其制成镁合金防腐蚀涂层的报道。采用溶胶-凝胶法在AZ91镁合金表面制备了MgFe2O4薄膜,利用正交试验研究了镀膜层数、溶胶中Mg2+与Fe3+的摩尔比、烧结温度、烧结时间对AZ91镁合金膜试样自腐蚀电流密度的影响,得出最优方案,并研究了优化条件制备的膜试样的组织结构及耐蚀性。结果表明:各因素对AZ91镁合金膜试样自腐蚀电流密度的影响程度由大到小依次是镀膜层数、烧结温度、nMg2+/nFe3+、烧结时间;最优条件是镀膜1层,nMg2+/nFe3+=0.35,烧结温度400℃,烧结时间5 h;与AZ91镁合金基体相比,优化条件制备的MgFe2O4薄膜的自腐蚀电流密度降低了1个数量级,自腐蚀电位正移了690 mV,耐腐蚀性能得到很大提高。     

NiTi合金表面镀类金刚石薄膜的生物摩擦学性能研究

用脉冲电弧离子镀在镍钛合金基底上沉积了无氢类金刚石(DLC)薄膜,研究和评价了镀膜样片的体外生物摩擦学特性.结果表明,在干摩擦及润滑条件下,DLC薄膜的体积磨损率仅为NiTi合金的3%～7%,有很好的抗磨损能力.DLC薄膜的减摩效果也很明显,干摩擦条件下最大,达到80%以上,润滑条件下也都达到了70%以上.     

AZ31镁合金环境友好阳极氧化处理研究

通过正交试验得到AZ31镁合金无铬、无强氧化物的阳极氧化处理配方及工艺,运用扫描电子显微镜、X射线衍射分析及电化学测试系统对阳极氧化膜的组织结构与耐蚀性进行了表征。结果表明,该环境友好阳极氧化工艺可在AZ31镁合金表面形成具有一定耐蚀性的阳极氧化膜;所得阳极氧化膜表面质量好,是一种多孔的陶瓷膜,膜的物相主要是晶态的MgO、ZnO、Mg以及非晶态的MgAl2O4、Mg18Al23等;阳极氧化处理试样的自腐蚀电流密度减小,而腐蚀电位有所提高,说明镁合金表面形成的阳极氧化膜提高了镁合金表面的耐腐蚀性能。     

In-situ hydrothermal crystallization Mg(OH)2 films on magnesium alloy AZ91 and their corrosion resistance properties

Mg(OH)₂ films have been fabricated on magnesium alloy AZ91 substrates by an in-situ hydrothermal method. AZ91 alloy substrates act as both the source of Mg²⁺ ion and the support for the Mg(OH)₂ film in synthetic process. The effect of pH value and hydrothermal treatment time on the morphologies and corrosion resisting properties of Mg(OH)₂ film is studied. The obtained Mg(OH)₂ films are uniform and compact. The adhesion between the films and the substrate is strong due to the in-situ growth process, which enhances their potential for practical applications. Potentiodynamic polarization measurements showed that the Mg(OH)₂ films obtained at pH 10, 3 h exhibits the highest increase in corrosion potential at −0.7097 V and lowest i_corr, which suggests that it is the best effective film in improving the corrosion resistance of AZ91in all obtained films.     

Effect of thick DLC coating on fatigue behaviour of magnesium alloy in laboratory air and demineralised water

Rotating bending fatigue tests have been performed using Diamond‐like carbon (DLC) coated specimens of a wrought magnesium alloy, AZ80A, in laboratory air and demineralised water and the effect of DLC coating on fatigue and corrosion fatigue behaviour was studied. Three film thicknesses of 3.5 μm, 13 μm, and 25 μm (two‐layer film) were evaluated and particular attention was paid to the role of thick DLC coating. In laboratory air, the fatigue strengths of the DLC‐coated specimens were higher than that of the substrate specimen and increased with increasing film thickness. This was because hard DLC coating with good adhesion suppressed the crack initiation due to cracking of inclusions or cyclic slip deformation on the substrate surface. In demineralised water, the fatigue strength of the 3.5‐μm DLC‐coated specimen was the same as that of the substrate specimen due to the penetration of the water through pre‐existing film defects, while the 13‐μm and 25‐μm DLC‐coated specimens showed increased corrosion fatigue strength with increasing film thickness and also exhibited nearly the same fatigue strength as in laboratory air except for a few premature failed specimens, indicating a potential of thick DLC coating or two‐layer coating for complete improvement of corrosion fatigue strength in aqueous environments.