获得钛表面分级多孔微纳结构的复合工艺及其形成机制

分别用喷丸酸蚀(SLA)、阳极氧化(AO)以及复合喷丸酸蚀和阳极氧化(SLA+AO)方法对纯钛进行表面改性,以获得具有分级多孔微纳结构、表面富氧及锐钛矿相的钛表面特征。通过表面形貌、粗糙度、表面成分以及晶相结构来分析各组样品的表面特征及其形成机制。喷丸酸蚀(SLA)处理之后的样品具有由2～3μm凹坑和100～400nm孔洞组成的分级多孔形貌特征。阳极氧化(AO)处理之后的样品表面形成分布较均匀的20～400nm的孔结构,表面富氧并出现锐钛矿相。复合喷丸酸蚀和阳极氧化(SLA+AO)方法处理之后的样品表面具有分级多孔微纳结构,表面富氧并出现锐钛矿相。最后分别探讨了SLA、AO及SLA+AO处理方法的形成机理。     

三维钛网表面双生物陶瓷涂层的制备及其性能

采用浸渍涂敷-烧结法首次在医用三维钛网表面制备出双生物陶瓷涂层,利用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜对HA-BG/BG/Ti复合材料进行了微观表征,拉伸法测量了Ti基体与BG涂层的结合强度,模拟人体体液(SBF)评价复合材料的生物相容性.研究表明:该双生物陶瓷涂层的内层为生物玻璃(BG)涂层,外层为多孔结构的羟基磷灰石-生物玻璃(HA-BG)复合涂层.Ti基体被致密的BG涂层包覆,由于在BG/Ti界面发生化学反应,界面的结合强度提高,平均结合强度达27 MPa.生物相容性实验表明,HA-BG/BG/Ti复合材料表面会被一层整齐、致密的HA覆盖,具有良好的生物相容性.     

微纳结构超疏水表面的浸润性及防冰性能

以Ti合金为基体材料,通过超快激光加工微结构并复合纳米SiO₂/氟化聚氨酯涂料,获得微纳结构的涂层表面,并与涂料喷涂获得的纳米涂层表面和未处理的Ti合金表面进行对比分析。分别采用扫描电镜、超景深显微镜、接触角和冰结合力测量仪,研究分析未处理Ti合金表面、纳米结构表面、微纳结构表面的形貌、疏水性、防覆冰性能。结果表明:具有微纳结构的涂层表面具有最佳的超疏水性,接触角为158.9°;与未处理Ti合金表面、纳米结构表面相比,微纳结构表面冰结合力显著降低,表面冰结合强度约为410 kPa。      

喷砂-阳极氧化法构建分形超疏水Ti6Al4V表面及性能研究

主要采用喷砂-阳极氧化法在Ti6Al4V钛合金表面构建微纳二级复合结构,使用低表面能物质FAS-17(十七氟硅烷)修饰后可获得超疏水表面。结果显示,喷砂形成的微米级凸台与阳极氧化形成的纳米管复合结构表面的液滴接触角达到了159.8°。在空气中放置30d后,仍然具有优异的超疏水性能,并具有一定的耐盐水性能。     

钛表面二氧化钛纳米管/微米坑复合结构的制备及亲水性

为改善钛的生物相容性,促进成骨细胞在其表面的附着与分化,设计了一种新型工艺。通过微弧氧化后酸洗的技术在钛表面制备微米级凹坑(10～20μm)。通过阳极氧化技术在上述微米级凹坑上制备定向生长的二氧化钛纳米管(70～80 nm)。采用微弧氧化、酸洗和阳极氧化复合工艺,制备出二氧化钛纳米管/微米坑复合结构。研究了使用不同电解液制备的微弧氧化涂层所获得复合结构的形貌,分析了复合结构形貌对亲水性的影响。结果表明,采用Na_2B_4O_7电解液制备的微弧氧化涂层所获得的复合结构具有显著的微纳米分级结构特征,并展现出优异的亲水性。     

纯钛基体长效超疏水表面的低成本制备

为降低钛基上超疏水表面的制备成本,提高超疏水表面的耐久性能,以喷砂-阳极氧化法在纯钛基体上构造微纳复合粗糙结构,并使用商用氟碳罩光漆直接对其进行修饰获得超疏水性表面。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和接触角测试等技术对超疏水性表面的化学组成、表面形貌、润湿性和表面耐久性进行了研究。结果表明:喷砂处理在钛基表面构筑微米级凹坑,阳极氧化通过形成网状氧化膜在钛基表面构造纳米级结构,氟碳罩光漆修饰该微纳复合粗糙表面后,为表面引入大量含氟基团,使其获得超疏水性能。超疏水性表面与纯水的静态接触角达162°±2.3°,滚动角为2.1°±0.2°,具有优异的环境耐久性。     

包装材料表面超疏液性能耐久性及其提高方法

海量油墨、涂料、油漆、胶粘剂、沥青等的包装金属桶罐由于内部粘附属于危险固废且难于处理。酸奶、果酱、牙膏等的包装由于粘附不便于分类回收。材料表面超疏液性能源于表面微纳多级粗糙结构和低表面能。制约超疏液材料应用的瓶颈是表面微纳结构制备工艺复杂和力学强度低导致的耐久性差。本文总结提出了增强超疏液性能耐久性的四类技术方法:具有自我修复功能的超疏表面,SLIPS表面,具有形状记忆的微纳结构和提高表面微纳结构本身的力学强度。具有良好耐久性的包装材料有广阔的应用空间,可以解决包装废弃物回收和利用的关键难题。     

微纳分级结构ZnO-氟碳树脂超疏水表面的制备研究

超疏水表面具有特殊的微纳分级结构和自清洁、防污染等优异性能,国内外对其有着广泛的研究和应用。利用硝酸锌和氢氧化钾共沉淀的方法制备出海胆型微-纳分级结构的氧化锌(ZnO)粒子,然后用氟碳树脂衍生物对其进行疏水化接枝改性,最终制备了超疏水表面。利用X射线衍射仪对制备的产物进行物相分析,利用扫描电镜和动/静态接触角分析仪表征ZnO的微观形貌及疏水表面的接触角。结果表明,微纳分级结构的ZnO粒子经氟碳树脂改性后具有优异的疏水性能,所制备的疏水表面的水静态接触角能够达到(156±1)°,接触角滞后低至3°。该方法简单易行,适合工业化生产。     

疏水植物表面微纳复合结构电铸模芯的制备

以竹叶下表面为疏水生物母板,针对疏水表面电铸成型的特殊性,分别采取湿润剂浸润处理和阴极水平旋转运动两个技术手段改善微纳复合结构的电铸成型质量。结果表明:浸润处理可有效提高沉积离子在微纳米凹槽内部的沉积,阴极水平旋转对提高电铸镍模芯宏观质量和微观结构复制质量均有一定效果。采用浸润处理与阴极旋转相结合的电铸复制工艺,可明显提高竹叶下表面微纳复合结构的复制质量,成功实现具有疏水植物表面微纳复合结构的模塑成型镍模芯的高质量制备。     

Ti6Al4V微弧氧化膜的生物相容性

采用微弧氧化(MAO)手段在Ti6Al4V表面制备TiO2陶瓷膜层,结合水热处理(HS)方法诱发膜层内生成羟基磷灰石(HA);以抗凝血性能、抗溶血性能、抗血小板黏附和材料的细胞毒性为指标,对Ti6Al4V基体合金、具有微弧氧化陶瓷膜层的Ti6Al4V合金和经水热合成处理后的Ti6Al4V微弧氧化膜层样品进行生物相容性综合评定。结果表明,经微弧氧化和水热合成处理后样品表现出优异的抗溶血性,良好的抗凝血性和血小板黏附以及无毒性,说明Ti6Al4V合金表面生成的羟基磷灰石复合薄膜赋予材料表面良好的生物相容性。     

通过粒子辅助水滴模板法制备超疏水材料

利用水滴模板法成功制备出孔径可控的具有结构规则的聚合物多孔膜,并以所制备多孔膜为模板利用反向复刻法复制孔洞阵列结构,得到具有微米级突起阵列结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜片,然后将事先排布好的二氧化硅微球阵列通过热压印法转移到具有微米级突起结构的PDMS膜片上,然后成功制备出具有微纳米复合突起结构的膜片。通过对具有不同突起结构组合的PDMS膜片进行接触角测试发现,膜片的接触角随着其表面粗糙程度的增大而增大,即具有微纳复合结构膜片接触角((150.7±3.2)°)最大,达到了超疏水的效果;无突起结构膜片的接触角((108.9±3.1)°)最小;而仅具有微米级结构膜片的接触角((134.6±1.0)°)居中,这符合目前已知的物质表面浸润性与其表面粗糙度的关系。另外,经测试,具有微纳复合结构的膜片接触角最大达到155°,同时具有非常大的滚动角,使得这种膜片材料具备了粘性超疏水的性能,而这种特殊浸润表面性质可以在液体无损传输、生化分离等领域拥有巨大的应用前景。     

基于多孔氧化铝腐蚀的表面结构制备及其疏水性能研究

先采用阳极氧化法在铝基板上制备了多孔氧化铝(AAO)膜,并以铝基AAO膜作为前驱物,采用化学腐蚀溶液分别制备出了具有纳米结构、微米结构和微纳复合结构表面的薄膜材料结构。利用扫描电子显微镜、荧光分光光度计和电子能量色散谱仪等测试手段分析了薄膜材料表面结构,并在薄膜表面涂覆低表面能物质氟硅烷薄膜研究这些表面结构的疏水性能。研究结果表明:通过控制化学腐蚀时间可以在铝基AAO膜表面分别获取纳米结构、微纳复合结构和微米结构;与未腐蚀的AAO膜表面相比,三种表面结构都有效提高了疏水薄膜表面的疏水性能;在NaOH溶液腐蚀16 min条件下,表面呈现微纳复合结构,具有超疏水性能,水的接触角达到155°。     

医用镍钛合金的阳极氧化表面改性研究

采用恒压直流阳极氧化法对医用镍钛合金进行了表面改性处理,目的是有效降低其表面镍含量,改善生物相容性。通过表面形貌、化学成分以及晶相分析发现,改性后的表面氧化层具有特殊的连通多孔结构,平均孔径为80~120nm,厚度为5~12μm;该层主要由非晶相TiO2组成,200~400℃、30min热处理可使部分非晶相转化为晶相金红石结构。另外,改性后的表面在Hank’s模拟体液中的Ni离子溶出量也比改性前大大减少。综合来看,本文工艺实现了对医用镍钛合金在微观结构和性能上的双重改善,是比较有应用潜力的表面改性工艺。     

钛合金表面涂覆生物活性涂层的制备技术及进展

对于生物医用材料Ti6A14V，利用表面改性技术涂覆生物活性陶瓷羟基磷灰石（HA）涂层不仅可以保留钛合金优良的力学性能，还能提高其表面的稳定性和耐磨性，同时提高其生物活性，使新骨直接沉积于Ti6A14V表面，而无纤维结缔组织的中间隔层，从而促进缺损骨的修复，甚至引导新生骨的生长。因此该材料已成为当前人工骨种植体研究的热点之一。本文综述了该材料的制备技术及进展，并分析了各种制备方法的优缺点。     

超双疏耐磨PPS基涂层的制备与性能

以NH_4HCO_3为造孔剂,碳纳米管(CNTs)为纳米级纤维填料,采用简单的喷涂工艺制备出超双疏耐磨聚苯硫醚(PPS)基涂层。采用扫描电镜(SEM)、接触角测量仪分析涂层的表面形貌和疏水、疏油性能。采用定载砂纸打磨法测试双疏涂层的耐磨损性能。结果表明:造孔后的涂层表面粗糙,表面的多孔结构和CNTs构成了特殊的微纳二元复合网络结构。当NH_4HCO_3的含量为5%(质量分数)时,涂层实现超疏水和超疏油,对水、甘油和乙二醇的接触角分别为162°,158°和152°。用砂纸反复打磨10000次后,涂层表面轻微磨损,仍保持了高疏水效果,具有良好的耐磨性能。     

梯度结构羟基磷灰石生物活性涂层的性能

采用等离子喷涂系统在Ti6Al4V钛合金基体表面制备出真有梯度结构的羟基磷灰石生物活性梯度涂层,利用纳米硬度计等手段分析了生物活性涂层的梯度结构．结果表明：金属基体与陶瓷界面区域的弹性模量和硬度呈梯度变化;生物活性功能涂层的表面具有典型的多孔结构特征,整个涂层沿垂直基体方向从底层致密结构向表面层多孔结构过渡;涂层的成分从生物稳定性的底层至生物活性的表面层呈梯度变化,涂层表面成分为具有生物活性的羟基磷灰石．涂层的这种结构特征保持了涂层的生物活性,提高涂层与基体的结合强度（48．6MPa）。     

医用钛合金表面聚电解质层接枝酪蛋白磷酸肽复合薄膜的生物矿化评价

采用层层自组装的方法,在羟基化和硅烷偶联剂处理的医用钛合金表面交替组装海藻酸钠和壳聚糖,再通过酰胺化反应接枝酪蛋白磷酸肽,在医用钛合金表面形成具有仿生矿化能力的聚电解质复合薄膜。采用XPS、ATR-FTIR、FESEM以及XRD对样品表面进行表征,并将各组样品放入模拟体液中考察仿生矿化沉积能力。结果表明:在医用钛合金表面成功制备了聚电解质层接枝酪蛋白磷酸肽复合薄膜,经仿生矿化的各组样品表面均有羟基磷灰石沉积,聚电解质层组表面具有纳米多孔结构以及羧基和羟基活性基团,接枝酪蛋白磷酸肽后表面又具有磷酸活性基团,因此最终形成的复合薄膜羟基磷灰石沉积最为致密,表明其生物矿化能力明显增强。     

钛合金表面加弧辉光离子渗镍铬及其性能研究

采用加弧辉光离子渗金属新技术处理钛合金Ti5Al2.5Sn表面,研究了渗层的相组成特点,成分分布情况,评价了改性层的磨擦摩损性能,及与钛合金基体间的接触腐蚀相容性等。结果表明加弧辉光离子渗技术可以快速地在钛合金表面获得NiCr镀渗复合层。渗层由Ni3Ti等金属间化合物组成,其硬度、耐磨性能均高于离子注氮层,具有较高的抗含Cl^-1水溶液腐蚀性能,在含Cl^-1腐蚀环境中与钛合金基体接触相容。     

表面形貌对润湿性及抗附着性能的影响

为研究表面形貌对表面润湿性和抗附着性能的影响,采用激光刻蚀技术制备点阵微结构和仿生贝壳表面网格微结构,将SiO2纳米粒子涂覆在微结构上制备微纳结构。研究表明,Ti6Al4V合金表面经激光刻蚀后由亲水变为超亲水状态。经低表面能修饰后,点阵微结构表面符合Wenzel模式的疏水状态,而网格微结构表面符合Wenzel模式的超疏水状态。在点阵和网格微结构上涂覆SiO2形成微纳结构表面均符合Cassie模式的超疏水状态,且网格结构表面的接触角更大,滚动角更小。浅海挂板实验显示,微生物粘膜附着量由多至少的顺序为:超亲水状态的点阵微结构表面亲水的抛光表面超亲水状态的仿生网格微结构表面符合Cassie模式的超疏水表面。     

医用钛合金的发展及研究现状

纯钛及其合金以其与骨相近似性的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性等在临床上得到了越来越广泛的应用；综述了医用钛合金的发展和研究现状，阐述了钛的生物相容性原理，同时简单评述了钛及其合金表面改性与钛基复合材料的研究现状，分析表明：纯钛及其合金具有出色的生物相容性主要归功于表面附着的氧化层；β型钛合金与α/α β型钛合金相比，具有较高的耐磨性，是一种很有前途的外科植入用钛合金；寻求更为理想的表面改性工艺从而获得高质量的涂层，或将生物活性相添加进钛合金基体中制备成复合材料是提高医用钛合金生物活性的两种有效途径。