开题报告(终极版).doc

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1、 淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：周唐琪学 号：专 业：金属材料设计(论文)题目：医用316L不锈钢表面TiB2薄膜的制备及其耐蚀性研究指 导 教 师:夏木建2014年3月8日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文献综述1 医用316L不锈钢的概述1.1 医用316L不锈钢的性质医用316L不锈钢是铁基耐蚀合金，其机械性能好：极限抗拉强度为620Mpa，屈服强度为310MPa，伸长率为30%；有良好的抗腐蚀性能和抗高温性能，能在苛刻条件下使用；容易加工。1.2 医用316L不锈钢

2、的用途 316L不锈钢是典型的奥氏体不锈钢，由于其出众的综合性能，被应用于医药领域。医用316L不锈钢是一种性能优良的医用材料，在临床上有着广泛的应用。在骨科中主要用于制造各种人工关节、人工骨及各种固定器械；牙科中用于制造种植体、矫形丝等器件；还可以用来制造心脏支架及人工瓣膜等1。1.3 医用316L 不锈钢在临床应用中存在的问题 医用316 L不锈钢植入人体后，由于复杂生理环境下大量活性离子的存在，该不锈钢表面的氧化膜不稳定，产生腐蚀，造成植入的医用316 L不锈钢耐蚀性变差。而且，腐蚀产物中还存在着大量的Cr、Ni、Fe等离子，会对人体会产生副作用2。另外，医用316 L不锈钢在人体内的血

3、液相容性亦不是很理想3。1.4 国内外医用316L不锈钢表面改性现状随着材料表面技术的日益发展，国内外学者针对医用316L不锈钢在临床应用中存在的问题，研究了各种耐蚀强、生物相容性优良的涂层。目前，主要有以下几种：1.4.1金属涂层金属涂层可以提高金属的耐蚀性。通过电镀Rh的方法对医用316L不锈钢表面改性。经一系列测试后得出结论：镀上Rh涂层后的医用316L不锈钢耐蚀性显著提高；镀上Rh涂层后的医用316L不锈钢的表面亲水性有提高，溶血率显著下降，提高了血液相容性4。1.4.2聚合物涂层选择组织相容性良好的高分子聚合物材料来为316L不锈钢镀层能有效抑制平滑肌细胞过度生长，减少局部炎症，提高

4、血液相容性。李小燕等5通过静电自组装的方法将丝素肽和壳聚糖涂覆在医用316L不锈钢的表面，形成聚合物膜。测试该不锈钢涂层前后的动态凝血时间，表面抗血小板作用和溶血率后，得出结论：该聚合物膜延长了动态凝血时间，提高了医用316L不锈钢的血液相容性。1.4.3陶瓷涂层金属陶瓷涂层具有保护基体不受高温氧化、提高耐腐蚀和耐磨的特点。刘成龙等6采用液相沉积法在316L不锈钢基体上制备了TiO2涂层。对其在Tyrodes 模拟体液中的腐蚀行为进行研究并用AFM和SEM观察组织。发现该该膜层均有纳米粒子堆积而成，膜层光滑；随沉积时间增加，膜层增厚，抗腐蚀性能增强。1.4.4 类金刚石薄膜 类金刚石薄膜（DL

5、C）是一种由碳元素构成、在性质上和钻石类似，同时又具有石墨原子组成结构的物质。是一种非晶态薄膜，具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因素，耐磨损及良好的真空摩擦学特性，很适合作为耐磨涂层。F.R.Marciano等7利用化学气象沉积法在医用316L不锈钢上制备了Ag-DLC薄膜。研究表明，除硬度有少许下降外，该薄膜的其他性能如抗菌性，耐蚀性等均有所提高。综上所述，制备出一种耐蚀性优良的涂层已成为当前医用316L不锈钢表面改性的热点。2.1 TiB2的结构二硼化钛(TiB2)是硼和钛最稳定的化合物，为C32型结构，以其价键形式结合，属于六方晶系的准金属化合物。其完整晶体的结构参数为：a为0.3028n

6、m，C为0.3228nm。晶体结构中的硼原子面和钛原子面交替出现构成二维网状结构，其中的B与另外3个B以共价键相结合，多余的一个电子形成了TT键8。2.2 TiB2薄膜的性能 类似于石墨的硼原子层状结构和Ti外层电子决定了TiB2具有良好的导电性能和金属光泽，而硼原子面和钛原子面之间的Ti-B键决定了这种材料的高硬度（莫氏硬度为9，显微硬度为2.9GPa）的特点。此外TiB2还具有化学稳定性好，在酸中稳定，抗腐蚀性能较好，对熔融金属有较强的抵抗性，抗高温氧化性能好的优点9。 2.3 TiB2薄膜的用途TiB2的优良性能，决定了其具有广泛的用途。它用来制造陶瓷切削刀具及模具；可以作为复合陶瓷材料

7、，制作各种耐高温部件及功能部件；还能作为颗粒增强复合材料、硬质合金基体、导电陶瓷材料等。在普通性能的钢材表面激光熔覆TiB2涂层,能大大提高钢材的力学性能,延长服役寿命。2.4 TiB2薄膜目前国内外的研究趋势 TiB2作为一种新型的陶瓷材料，涂覆技术是实现其应用的一种有效手段。国内外学者运用各种方法制备TiB2薄膜，主要的制备方法如下：2.4.1溶胶-凝胶法溶胶-凝胶技术法制作陶瓷涂层，是利用一种烷氧基金属加水分解引发缩聚反应生成溶胶，缩聚反应进一步进行生成凝胶，经干燥、热处理最终得到陶瓷涂层。李青等10运用溶胶-凝胶法在316L不锈钢样品上分别镀上SiO2、TiO2、Al2O3、SiO2-

8、TiO2陶瓷涂层。经过腐蚀实验后发现TiO2溶胶-凝胶陶瓷涂层在硫酸中对316L不锈钢的保护性要优于SiO2-TiO2和Al2O3涂层。表明TiO2陶瓷涂层大大提高了316L不锈钢基体的耐蚀性和抗氧化力。但其耐蚀性以及硬度和耐磨性均不如SiO2薄膜。2.4.2脉冲电极沉积法 脉冲电极沉积（PES）是一种采用短时高电流脉冲来改变材料表面性能的技术。它通过放电电容和电压使电流和短脉冲相结合，从而导致电极熔化并在基体上沉积薄膜的技术。Arvind Agarwal等11采用脉冲电极沉积法在1080钢上沉积获得了TiB2薄膜，经过测试和观察发现用该方法获得的薄膜晶粒细小，薄膜与1080钢基体粘结力较好，

9、有很高的抗剥落性，薄膜晶粒细小且高度致密，薄膜硬度强度高。缺点是所制备涂层的耐蚀性有所降低。2.4.3磁控溅射法 磁控溅射法通过在靶电极上方加一个与其表面平行的磁场，将初始电子的运动限制在邻近靶电极的区域，增加了气体原子的离化效率，从而克服了通常溅射法溅射效率不高的问题。磁控溅射法制备涂层具有沉积温度低，基体选择范围广和环境友好等优点。利用磁控溅射技术在基体上沉积了TiB2涂层，经研究表明涂层平整光滑，结构致密。通过升高基体加热温度将残余压应力从不加热时的5.5Gpa降低至500oC时的1GPa，改变基体偏压得极性使参与应力从负偏压时的7至10Gpa降低到正偏压时的0.5Gpa12-13。镀层

10、的残余应力降低，组织致密度高能有效的阻止Cl-的渗入，从而提高了涂层的耐蚀性14。研究还发现薄膜热处理时颗粒会长大，其粗糙度也会随之变化，高的偏压会导致涂层的残余压应力升高以至于降低其微磨损性能。3 本课题可行性分析TiB2涂层具有能大大提高316L不锈钢的力学性能，抗腐蚀性好，延长服役寿命的优点。采用磁控溅射法在基体上镀的TiB2薄膜具有平整光滑，硬度高，耐蚀性好的优点。因此在医用316L不锈钢基体上用磁控溅射法涂覆TiB2薄膜可以保护基体在生理环境下减缓腐蚀速度，解决其在生理环境下耐蚀性差的问题。4本课题的研究意义316L医用不锈钢作为人工植入物，在生理环境下容易产生点蚀，耐蚀性会变差，从

11、而达不到其植入人体所需的医用目的。而且，腐蚀过程中会有Ni、Fe等离子产生，对人体不利。而TiB2涂层具有较好的抗腐蚀性，经类似实验表明具有该涂层的不锈钢比无涂层的不锈钢腐蚀程度大大降低，腐蚀速度明显减小。由此认为涂覆TiB2涂层的316L医用不锈钢也能够拥有耐蚀性好的特点。在植入人体后，延缓腐蚀速度，增加了再人体内的作用时间从而达到所需的治疗效果。此外涂层能减少腐蚀所产生的有害离子进入人体。参考文献1 郑玉峰, 李莉. 生物医用材料学.M.西北工业大学出版, 2009, 12:572 季士委, 黄楠, 万国江, 等. 316L不锈钢血管支架材料电化学抛光工艺研究J.中国介入影响及治疗学, 2

12、006, 3(3):2173 孙建华, 刘金龙, 王庆良, 等. 医用316L不锈钢表面改性的研究进展J. 材料导报A:综述篇, 2011, 25(5):954 刘敬肖, 杨大智, 梁成浩, 等. 316L不锈钢表面电镀Rh膜的腐蚀行为及血液相容性研究J.生物医学工程杂志, 2001, 18(2):1691725 李晓燕, 蒋容静, 刘建平, 等. 316L不锈钢经丝素肽/壳聚糖聚合物涂层后的血液相容性J.中国组织工程研究与临床康复, 2008, 12(23):44616 刘成龙, 杨大志, 赵红. 316L不锈钢表面液相沉积TiO2薄膜的耐蚀性研究J.材料功能, 2003, 5(34):60

13、07 Marciano F R, et al. Antibacterial activity of DLC and Ag-DLC films produced by PECVD techniqueJ. Diamond Related Mater, 2009, 18:1010 8 王宝龙, 赵俊国, 王文武. TiB2材料的特性及其在铝工业中的应用J. 轻金属, 2004, 5:23 9 程汉池, 栗卓新, 李红, 等.热喷涂制备TiB2涂层的研究进展J.金属热处理, 2007, 32(12):1710 李青, 陈艳. 金属陶瓷涂层耐蚀性能研究J. 材料保护, 2000, 33(5):47501

14、1 Riviere JP, et al. Formation of TiB2 coatings at room temperature by dynamic ion mixingJ. Surface and Coating Technology, 1996, 84:39812 孙荣幸, 张同俊, 戴伟, 等.射频磁控溅射法制备TiB2涂层及其性能分析J. 材料科学 与工程学报, 2006, 24(2):25113 孙彩云, 何青兵, 李立, 等. 磁控溅射发射制备TiB2涂层的研究进展J. 材料科学与工程学报, 2009, 11(23):484914 刘小珍, 余小东. 电沉积Ni-TiB2符

15、合镀层性能的研究J. 电镀与环保, 2008, 28(5):16毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1 本课题要研究或解决的问题 本课题以医用316L不锈钢为基体，其表面TiB2薄膜采用磁控溅射法获得。以研究其结构组织和耐蚀性能的变化规律。着重研究沉积工艺参数对TiB2薄膜结构、组织及耐蚀性能的影响。所研究的工艺参数有：沉积温度、溅射气压、功率、负偏压。2 拟采用的研究手段（途径）再不同工艺参数下用JSD-560真空磁控溅射镀膜机对316L不锈钢镀上TiB2涂层。用XRD对实验后样品进行结构表征，用扫描电镜进行组织观察，用电化学工作站分析实

16、验后样品的耐蚀性。将实验分析后的数据对比，找出最佳的工艺参数。 2.1途径：根据课题的要求设计实验方法根据实验方法确定实验仪器，选择实验材料制备实验所用的医用316L不锈钢试样，并编号改变沉积温度对基体镀TiB2薄膜改变溅射气压对基体镀膜改变功率对基体镀膜改变气体负偏压对基体镀膜分析实验试样，用扫面电镜分析组织形貌，用XRD分析结构，用电化学工作站分析耐蚀性整理实验结果，做出相应的曲线图等根据所得的图对比分析，找出最佳参数得出实验结论2.2手段：1、分别改变功率、溅射气压、沉积温度，负偏压，用JSD-560高真空磁控溅射镀膜机在316L不锈钢基体上镀上TiB2涂层。2、用XRD（D8 Advance）对实验后的样品进行结构表征。3、用扫描电镜（Quanta 250 FEG）观察组织形貌。4、用电化学工作站（CHI6600D）测试实验样品的耐蚀性。5、根据所得实验数据，绘制相应的曲线图等，对比分析，找出最优参数。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：2013年3月5日指导教师： 所在专业审查意见：负责人： 2015年3月日