磁控溅射法制备的羟基磷灰石−氧化锆涂层的力学性能外文翻译资料

 2022-11-21 16:29:42

翻译文献

Mechanical properties of hydroxyapatite-zirconia coatings prepared by

magnetron sputtering

KONG De-jun, LONG Dan, WU Yong-zhong, ZHOU Chao-zheng

College of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213016, China

Received 22 December 2010; accepted 7 September 2011

Abstract: Hydroxyapatite (HA)minus;zirconium (ZrO2) composite coating was produced by magnetic sputtering on Ti6Al4V titanium alloy substrate, the coatings of 50HAminus;50ZrO2 and 75HAminus;25ZrO2(mass fraction, %) were characterized by scanning electron microscopy, energy disperse spectroscopy, X-ray diffraction and scratch test, respectively, and the effects of HA contents in the coating on residual stress were analyzed. The experimental results show that the phases of HAminus;ZrO2 composite coatings are HA, ZrO2 and Y2O3, and the HA has a certain decomposition in the combination process, producing TCP and Ca O impurity phases. The porous surface of coating is conducive to the growth of bone tissue, and the surface roughness values of 50HAminus;50ZrO2 and 75HAminus;25ZrO2 are 1.61 micro;m and 2.92 micro;m, respectively. The coating interface is of mechanical integration, the bonding strength values

of 50HAminus;50ZrO2 and 75HAminus;25ZrO2 are 30 N and 17.5 N, respectively, showing a downward trend with the HA contents increasing. The residual stress values in the coating of 50HAminus;50ZrO2 and 75HAminus;25ZrO2 are (minus;399.1plusmn;3.0) MPa, (minus;343.2plusmn;20.3) MPa,

respectively, as a result, the appropriate increase of HA contents in the coating will reduce its residual stress.

Key words: magnetron sputtering; zirconia; hydroxyapatite; surface morphology; bonding strength

1 Introduction

Hydroxyapatite (HA) is a biological active material, composed of the essential elements of human tissues such as calcium and phosphorus, and has been widely

used in bone implants. Due to the hierarchical porous structures, HA is more suitable to repairing bone defect [1]. HA has higher fracture toughness, but low strength which is the bottlenecks of its wide application [2]. So, it is unable to meet the requirements of people physical site [3, 4]. Therefore, to improve the mechanical properties of HA has thus attracted wide attention [5]. Clinical titanium alloy has excellent properties such as low density, low elastic modulus, good corrosion resistance, as bio-inert materials to form bone tissue regeneration

with bone tissues [6]. Zirconia (ZrO2) is ceramic bioinert, and shows good wear resistance, corrosion resistance and biocompatibility [7]. In order to enhance the binding

strength between the HA coating and titanium alloy substrate, the ZrO2

coating was prepared on titanium alloy surface. The merits of ceramic and metal could be used, which not only had good biocompatibility, biological activity [8], and the ability to achieve a direct chemical bonding of bone tissues, but also can be used as

load-bearing parts of the body to meet the long-term growth needs. It is very significant for the development of human hard tissue replacement implants and clinical applications [9, 10]. In recent years, the researches of magnetron sputtering were mainly concentrated on the preparation of HA coating at home and abroad. However, HAminus;ZrO2 coating fabricated by traditional electrochemical deposition has several major drawbacks which limit the application potential of this coating technique [11]. In order to reduce residual stress and improve HAminus;ZrO2 composite coating, the composite coatings of 50HAminus;50ZrO2 and 75HAminus;25ZrO2(mass fraction, %) were prepared by magnetron sputtering on Ti6Al4V substrate in this work, and the surface-interface structures, chemical elements and phases were analyzed by SEM, EDS and XRD, respectively, and the residual

stress and bonding strength were measured.

2 Experimental

The commercial ZrO2 powder and self-made sub-micron HA powder were used to deposit the HAminus;ZrO2 composite coating by ANELVA-SPC2350 multi magnetron sputtering instrument. The technological parameters are as follows: the base

pressure of 2times;10minus;3 Pa, working gas of argon with purity of 99.99%, working pressure of 0.1 MPa, sputtering power of 200 W, time of 3 h. After magnetron sputtering, the coating was tempered at 600 °C for 2 h, and then was cooled in the furnace. The structures of HAminus;ZrO2 composite coatings were observed on a JSMminus;6360LA-type scanning electron microscope, the compositions of the coatings were measured by electron

dispersive spectrometer, the coating phases were analyzed by D/max2500PC type X-ray diffraction (XRD) instrument, and the surface morphologies of the coating were observed with WYKONT1100 type surface tester. Residual stresses of the coating were analyzed with Xminus;350A type X-ray stress analyzer, and the bonding strength of coating was tested with WSminus;2005 type thin film adhesion automatic scratch tester.

3 Results and analysis

3.1 Surface morphology

The surface morphologies of HAminus;ZrO2 composite coatings are shown in Fig. 1. The partial ZrO2 substrate can be seen clearly and the ZrO2 substrate is almost continuously covered on the HA surface layer; the particles on the surface of HA turn into coarse particles of uneven shape, showing a network and porous structure, with some different diameter holes, which increases the

surface area of the coating microstructures, makes the contact area increase at the bonding interface combined with the new bone tissues

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磁控溅射法制备的羟基磷灰石minus;氧化锆涂层的力学性能

孔德军，龙丹，吴永忠，周朝政

常州大学机械工程学院，常州 213016

摘 要：采用磁控溅射法在 Ti6Al4V 钛合金基体上制备羟基磷灰石(HA)minus;氧化锆(Zr O2)复合涂层，通过 SEM、EDS、XRD 和划痕法对 50HAminus;50Zr O2和 minus;25Zr O2(质量分数，%)涂层进行表征，分析 HA 含量对涂层残余应力的影响。实验结果表明，HAminus;Zr O2复合涂层的物为

HA、Zr O2和 Y2O3，在复合过程中 HA 部分发生分解，产生TCP 和 Ca O 等杂质相；涂层表面呈多孔状，有利于类骨组织的生长，50HAminus;50Zr O2和 75HAminus;25Zr O2深层的表面粗糙度分别为 1.61 micro;m 和 2.92 micro;m；涂层结合界面为机械结合方式，划痕法测量的 50HAminus;50Zr O2

和 75HAminus;25Zr O2深层界面结合强度分别为 30 N 和17.5 N，随着 HA 含量的增加，涂层结合强度呈现下降的趋势；50HAminus;50Zr O2和 75HAminus;25Zr O2涂层的残余应力分别为(minus;399.1plusmn;3) MPa 和(minus;343.2plusmn;20.3) MPa，适当增加 HA 可以减小涂层的残余应力。

关键词：磁控溅射法；氧化锆；羟基磷灰石；表面形貌；结合强度

1简介

羟基磷灰石（HA）是一种生物活性物质，由人类组织的必需元素如钙和磷组成，并已广泛

用于骨植入。 由于分层的多孔结构，HA更适合修复骨缺损[1]。 HA具有较高的断裂韧性，但强度低，这是其广泛应用的瓶颈[2]。 所以，它不能满足人们物理位置的要求[3,4]。 因此，提高HA的机械性能已经引起了广泛的关注[5]。 临床钛合金具有优异的性能，如低密度，低弹性模量，良好的耐腐蚀性，作为生物惰性材料形成骨组织再生与骨组织[6]。 氧化锆（ZrO2）是陶瓷生物惰性的，表现出良好的耐磨性，耐腐蚀性和生物相容性[7]。以增强结合强度在HA涂层与钛合金基体之间，ZrO2在钛合金表面制备涂层。 可以使用陶瓷和金属的优点，其不仅具有良好的生物相容性，生物活性[8]和实现骨组织的直接化学结合的能力，而且可以用作承载部件的机身，以满足长期增长的需求。这对于人体硬组织替代植入物和临床应用的发展非常重要[9,10]。 近年来，磁控溅射的研究主要集中在国内外HA涂层的制备上。 然而，通过传统电化学沉积制造的HA-ZrO 2涂层具有限制该涂覆技术的应用潜力的几个主要缺点[11]。 为了减少残余应力并改善HA-ZrO2复合涂层，在这项工作中通过磁控溅射在Ti6Al4V基板上制备了50HA-50ZrO2和75HA-25ZrO2的复合涂层（质量分数，％） 化学元素和相分别通过SEM，EDS和XRD被分析出来，以及残余物应力和结合强度被测量出。

2实验

使用市售的ZrO 2粉末和自制的亚微米HA粉末通过ANELVA-SPC2350多磁控溅射仪器沉积HA-ZrO 2复合涂层。技术参数如下：基座压力为2times;10-3Pa，氩气工作气体纯度为99.99％，工作压力为0.1MPa，溅射功率为200W，时间为3h。在磁控溅射之后，将涂层在600℃下回火2小时，然后在炉中冷却。在JSM-6360LA型扫描电子显微镜上观察HA-ZrO2复合涂层的结构，通过D / max2500PC型X射线衍射（XRD）仪分析涂层相，用WYKONT1100型表面测试仪观察涂层的表面形貌。用X-350A型X射线应力分析仪分析涂层的残余应力，并用WS-2005型薄膜粘附自动划痕试验机测试涂层的粘结强度。

3结果与分析

3.1表面形态

HA-ZrO2复合涂层的表面形貌如图1所示。可以清楚地看到部分ZrO 2衬底，并且ZrO 2衬底几乎连续地覆盖在HA表面层上; HA表面的颗粒变成不均匀形状的粗颗粒，显示网状和多孔结构，具有一些不同直径的孔，这增加了涂层微观结构的表面积，使其在植入人体后与新骨组织结合的接合界面处的接触面积增加，从而为新骨组织的成核提供条件[12]。结果，复合涂层的骨粘结在人体中得到改善。在50HA-50ZrO2和75HA-25ZrO2中没有微裂纹，表明通过磁控溅射制备的HA-ZrO2涂层不产生应力集中，这将有利于提高涂层的粘结强度。

如图2所示，可以看出，HA-Zr O 2涂层表面粗糙，具有Zr O 2颗粒和一些明显的孔。对于生物涂层，少量的孔使得涂层具有更大的表面积，这有利于与生物体中的周围组织结合，为新的骨组织生长提供支架和通道，并且改善良好的生物相容性[13]。 。如图2（a）所示，涂层表面相对缓和起伏，表面凹陷较小。 。如图2（b）所示，涂层具有较大的沟，呈网状结构，大孔明显，表明HA含量影响复合涂层的表面形态，HA含量的增加有利于表面改性形貌，以及增加涂层表面的接触面积。 HA-ZrO 2复合体的界面形貌如图3所示。 50HA-50Zr O 2涂层的厚度为约40mu;m，而75HA-25Zr O 2涂层的厚度为约45mu;m。涂层底部与不平坦基底紧密结合，并且与基底结合的涂层的结合界面良好。界面没有裂纹，粘结方式主要是机械结合。从基材到涂层的截面结构从致密变为松散，并且涂层和基材之间的界面是均匀的

过渡键。

图。 1复合涂层的表面形貌：（a）50HA-50Zr O2; （b）75HA-25ZrO 2

图。 2复合涂层的表面颗粒：（a）50HA-50Zr O 2;（b）75HA-25Zr O 2

图。 3 HA-Zr O2复合涂层的界面形貌：（a）50HA-50Zr O2; （b）75HA-25ZrO 2

3.2 EDS分析

复合涂层表面的能谱分析如图4所示。主要有Ca，P和O的特征X射线峰，表示HA的表面层。 50HA-50ZrO 2的化学元素含量如下（质量分数，％）：C 10.36，O 15.34，Na 0.21，Mg 0.05，Al 0.06，Si 0.68，P 6.21，Ca 29.01，Ti 1.24， Cr 0.47，Fe 2.04，Zr 34.32;而75HA-25ZrO 2的那些如下（质量分数，％）：C 8.35，O 16.85，Na 0.24，Mg 0.07，Al 0.13，Si 0.80，P 6.47，Ca 28.66，Ti 1.66，Cr 0.35，Fe 1.76， Zr 34.70。 50HA-50Zr O2中Ca，P，O等主要元素含量与75HA-25Zr O2涂层基本相同，表明涂层表面主要是HA的化学元素，其他微量元素稍有改变，这不影响涂层的机械性能。

图。 4复合涂层的能谱分析：（a）50HA-50Zr O2; （b）75HA-25ZrO 2

3.3 XRD分析

如图5所示，在600℃热处理后，HA-Zr O2复合涂层的结晶度较好，其主晶相为HA，Zr O2和Y2O3，HA，如TCP，Ca O的热解产物出现在 同时，表明复合涂层在磁控溅射后不改变原粉末的相组成。 衍射峰形状更清楚，HA衍射峰变得更尖锐，显示在热处理后结晶度进一步增加，并且所制备的HA-ZrO 2具有良好的结晶度和高纯度。

图。5 复合涂层的XRD图：（a）50HA-50Zr O2; （b）75HA-25ZrO 2

3.4表面粗糙度

当涂层在基板表面上开始生长时，表面为岛状，晶粒较小，表面起伏较大，并且粒度分布不均匀。涂层的平均颗粒度较大，但颗粒度分布不均匀。测量结果如图6所示，带VEECO-WYKONT 1100型非接触光学轮廓仪。结果表明，50HA-50Zr O2复合涂层的表面粗糙度为1.61mu;m，75HA-25Zr O2的表面粗糙度为2.92mu;m。参考文献[2,14]，10 nm-10mu;m的表面粗糙度的变化对界面的机械性能几乎没有影响，但是对生物相容性具有显着的影响，因为尺寸范围与细胞具有相同的等级大小和生物大分子大小。随着表面粗糙度的增加，成骨细胞的粘附和增殖能力增强，这有利于附着和当表面粗糙度大（Ragt;1.5mu;m）时成骨细胞的增殖。

HA-Zr O2复合涂层的表面粗糙度如图7所示。粗糙度的计算结果示于表1中。轮廓Ra的算术平均偏差，粗糙度Rq的均方根，轮廓Rt的总高度，最大谷值Rv和深度的表面粗糙度参数缺陷Rp，基本上具有相同的趋势，表明HA的含量对复合涂层表面的粗糙度没有影响。

图。 6表面粗糙度分析：（a1），（a2）50HA-50Zr O2; （b1），（b2）75HA-25ZrO 2

图。 7 HA-Zr O2涂层表面粗糙度的2D分析：（a），（c），（e）50HA-50Zr O2; （b），（d），（f）75HA-25ZrO 2

3.5残余应力

用X-350A型X射线应力分析仪分析HA-Zr O2复合涂层的残余应力。测量方法是辊固定，固定峰方法是峰值互相关函数。实验参数如下：管电压22 k V，管电流6 m A，Cr靶Kalpha;辐射，准直器直径2 mm，扫描步进角为0.1°，时间常数为2 s，起始角为135°结束扫描角度为127°，滚动角Psi;为0°，25°，35°和45°，应力常数为-605MPa /（°）。 HA-Zr O2复合涂层的残余应力测量结果如图8所示。 显示压缩应力。50HA-50Zr O 2涂层的残余应力为（-399.1plusmn;3）MPa，而75HA-25Zr O 2涂层的残余应力为（-343.2plusmn;20.3）MPa，这取决于HA涂层的沉积温度[15]。结果表明，HA含量的适当增加可以减少复合涂层的残余应力，并改变HA-ZrO 2涂层的应力分布。

涂层中存在两种类型的残余应力：一种是固有应力，另一种是热应力。 热应力是由涂层和基底之间的不同膨胀系数引起的残余应力。 HA，ZrO 2和Ti 6 Al 4 V的线性膨胀系数分别为约15times;10 -6 K -1，7.33times;10 -6 K -1，8.8times;10 -6 K -1。 在磁溅射的沉积过程中，晶粒应力的生长和聚结产生固有应力，附近的晶体处于压缩状态，作为晶界之间的相互作用。 通过XRD测量涂层表面的残余应力，以显示压应力，表明本征应力具有最大值对涂层的残余应力的贡献。

图。 8 HA-Zr O2复合涂层中测得的残余应力：（a）50HA-50Zr O2; （b）75HA-25ZrO 2

3.6粘结强度

使用WS-2005型薄膜粘合自动划痕试验机测试复合涂层的粘合强度。测试参数如下：负荷为40N，负荷率为40N / min，刮痕长度为4mm，刮痕速度为4mm / s。测量方法是声发射和摩擦力。在划痕开始时，在涂层表面上没有明显的痕迹，当载荷增加到一定程度时，涂层没有破裂。图9显示没有声发射波的突变。由于涂层和基底之间的摩擦系数的对比度较大，摩擦曲线的弯曲以摩擦力的方式观察到，当针刺穿表面到基底时，摩擦具有显着变化，并且弯曲出现，此时，涂层和基板之间的结合强度用负荷表示。图9显示50HA-50Zr O2复合涂层的结合强度为30N，而75HA-25Zr O2复合涂层的结合强度为17.5N。

为了改善HA-ZrO2涂层的残余应力和结合强度，在ZrO2基底表面制备不同比例的HA-ZrO2化合物。 在复合过程中，由于热膨胀系数不匹配，与基板结合的涂层界面产生热应力集中，并且较大的残余应力产生在HA涂层和基底之间，导致差的集成。 以不同比例分级的复合涂层将缓和涂层和基材之间的热膨胀系数的失配。

图。 9测量HA-Zr O 2涂层的结合强度：（a）50HA-50Zr O 2; （b）75HA-25ZrO 2

4。结论

1）通过磁控溅射将HA-50Zr O2复合涂层沉积在Ti6Al4V基板上。在600℃回火后，获得结晶涂层。涂层表面是多孔的，其结晶相主要是HA，Zr O2和Y2O3，HA-ZrO2涂层的表面粗糙度为1.61mu;m-2.92mu;m。这有利于形成骨组织。

2）50HA-50Zr O 2涂层的残余应力为（-399.1plusmn;3.0）MPa，而75HA-25Zr O 2涂层的残余应力为（-343.2plusmn;20.3）MPa，表明HA含量的适当增加可以降低残余应力的复合涂层。

  1. 复合涂层和基材的结合模式主要是机械结合，通过划痕试验测得的50HA-50Zr O2和75HA-25Zr O2涂层的结合强度值分别为约30N和17.5N。接合强度将随着合适的HA含量而提高复合涂层。

参考文献

[1]马丽，周克超，李志友，黄树平。用碳粒子生产的多孔生物玻璃增强羟基磷灰石材料[J]。中国有色金属学报，2008,18（10）：1885-1892。 （用中文（表达）

[2]刘继金，朱建明，邹建鹏。羟基磷灰石 - 氧化锆复合材料的致密化和机械性能[J]。中国有色金属学报，2005,15（6）：952-957。 （用中文（表达）

[3]张福强，李静，黄辉，许春，金喜海，高连。通过放电等离子体烧结烧结的纳米羟基磷灰石 - 氧化锆陶瓷[J]。上海交通大学学报：医学，2006，26（10）：1085-1088。 （用中文（表达）

[4]余学良，唐跃军，曹美玉，唐跃峰，周忠华，吕春堂。纳米二氧化锆增韧羟基磷灰石的生物相容性[J]。 临床康复组织工程学报，2010,14（16）：<!--

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