一种碳/碳复合材料表面制备高结合强度羟基磷灰石涂层的新方法

背景:目前在碳/碳表面制备羟基磷灰石涂层的方法有很多种,但所制涂层与基体的结合强度不高。目的:提出一种在碳/碳复合材料表面制备高结合强度羟基磷灰石涂层的新方法。方法:首先利用感应加热法在基体表面制备出无水磷酸氢钙涂层,而后对其进行水热处理,转变为羟基磷灰石相。扫描电镜观察涂层的形貌,划痕法测试涂层的临界载荷,顶出法测试剪切强度。结果与结论:感应热沉积法可以在碳/碳复合材料表面制备出致密的块状晶粒结构的无水磷酸氢钙涂层;通过水热处理可以将其转变成结晶完好致密的羟基磷灰石涂层。涂层的临界载荷为13.31N,剪切强度约为47MPa。     

生物材料中基体及涂层材料的理论研究与进展

背景:在生物材料特别是生物涂层领域的研究中,寻找一种既具有优良生物性能又具有良好力学性能的基体材料并以适当的方法制备出表面均匀致密、结合力较高的涂层是限制人工假体能否真正应用于临床的一个关键因素.目的:对生物涂层材料的研究进展做一综述.方法:应用计算机检索CNKI、中国标准全文数据库和Science Direct数据库中1998-01/2009-10关于生物材料的文章,在标题和摘要中以"生物涂层,羟基磷灰石,钛合金,碳/碳复合材料"或"Biocoatings;HAp;Titanium;Carbon/carbon composites"为检索词进行检索.选择文章内容与生物涂层材料有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章.初检得到216篇文献,根据纳入标准选择关于生物涂层材料的31篇文章进行综述.结果与结论:通过对钛合金与碳,碳复合材料两种基体材料以及各种涂层制备工艺的对比发现,碳/碳复合材料作为基体材料,不但具有很好的生物相容性,而且与天然骨的力学强度匹配,利用水热电泳沉积技术,结合羟基磷灰石、壳聚糖、有机玻璃等涂层材料的生物性能,制备以碳,碳为基体的复合涂层,有望为提高涂层与基体的结合强度提供新的思路和方法.     

医用镍钛形状记忆合金羟基磷灰石涂层的制备及其生物活性

背景：目前多采用等离子喷涂技术在钛及其合金表面涂覆羟基磷灰石涂层,制备成复合材料。但由于羟基磷灰石与钛合金基体的热膨胀系数相差较大,涂层在冷却过程中易产生脱落。目的：在医用镍钛形状记忆合金表面制备致密、均匀的羟基磷灰石生物陶瓷涂层,利用动物实验考查镍钛/羟基磷灰石涂层材料的生物相容性。方法：利用阴极旋转法在低温条件下从含钙、磷离子的电解水溶液中在镍钛形状记忆合金表面沉积了磷酸钙涂层,经碱处理获得羟基磷灰石涂层。分析工艺参数对涂层结构的影响。利用动物植入实验对该复合材料的生物活性进行研究,并与镍钛/羟基磷灰石与Ca3（PO3）2？2H2O混合涂层复合材料、医用镍钛形状记忆合金、医用钛合金进行对比。结果与结论：电化学沉积-碱处理方法适合在镍钛形状记忆合金表面制备羟基磷灰石生物活性陶瓷涂层,沉积电压、温度对涂层结构有强烈影响。4种不同材料植入动物体内后周围均出现不同程度的组织增生,在骨膜组织切片中都可见软骨细胞且有骨小梁形成,涂覆有羟基磷灰石涂层的植入材料组织反应较轻,相应的组织切片中所显示出的软骨细胞、骨小梁数量最多,分布均匀,表明羟基磷灰石涂层提高了医用镍钛形状记忆合金的生物活性。     

用磁控溅射技术制备钛合金表面羟基磷灰石生物涂层

背景:射频磁控溅射是在陶瓷(金属)基体上制备金属(陶瓷)涂层的成熟技术,具有基体温升低、沉积速度快、涂层成分均匀、性能稳定、结合强度高等优点。目的:探讨磁控溅射法制备的羟基磷灰石生物涂层组织结构以及涂层与基体的界面结合性能。设计:单一样本观察。单位:江苏大学材料科学与工程学院。材料:试样基体为30mm×30mm×3mmTi-6Al-4V板材;JGP500超高真空多靶磁控溅射仪。方法:实验于2003-12/2004-09在江苏大学材料试验中心完成。利用射频磁控溅射技术在Ti-6Al-4V基体表面制备羟基磷灰石生物涂层,利用扫描电镜观察生物涂层表面形貌和断面形貌,利用X射线衍射仪分析涂层的相结构,利用能量分散谱仪分析涂层的Ca/P比,采用环氧树脂E-7对接法测定涂层与基体的界面结合强度。主要观察指标:①羟基磷灰石生物涂层微观形貌。②羟基磷灰石生物涂层组成及后处理影响。③羟基磷灰石生物涂层与基体的界面结合状态及结合强度。结果:①羟基磷灰石生物涂层表面扫描电镜观察,涂层表面较为粗糙,呈凹凸不平状,呈现出较多的孔隙和网状结构,其孔隙面积约占30%～40%。②溅射羟基磷灰石生物涂层的Ca/P比为1.7。后处理生物涂层主要成分为晶化程度高的羟基磷灰石,不存在其他钙磷杂质相。③羟基磷灰石涂层与基体的界面结合强度为51.2MPa。结论:射频磁控溅射技术制备的羟基磷灰石生物涂层,表面形貌良好,涂层与基体的界面结合强度较高。     

用磁控溅射技术制备钛合金表面羟基磷灰石生物涂层

背景：射频磁控溅射是在陶瓷（金属）基体上制备金属（陶瓷）涂层的成熟技术，具有基体温升低、沉积速度快、涂层成分均匀、性能稳定、结合强度高等优点。 目的：探讨磁控溅射法制备的羟基磷灰石生物涂层组织结构以及涂层与基体的界面结合性能。 设计：单一样本观察。 单位：江苏大学材料科学与工程学院。 材料：试样基体为30mm&;#215;30mm&;#215;3mm Ti-6A1．4V板材；JGP500超高真空多靶磁控溅射仪。 方法：实验于2003-12／2004—09在江苏大学材料试验中心完成。利用射频磁控溅射技术在Ti-6Al-4V基体表面制备羟基磷灰石生物涂层，利用扫描电镜观察生物涂层表面形貌和断面形貌，利用X射线衍射仪分析涂层的相结构，利用能量分散谱仪分析涂层的Ca／P比，采用环氧树脂E-7对接法测定涂层与基体的界面结合强度。 主要观察指标：①羟基磷灰石生物涂层微观形貌。②羟基磷灰石生物涂层组成及后处理影响。③羟基磷灰石生物涂层与基体的界面结合状态及结合强度。 结果：①羟基磷灰石生物涂层表面扫描电镜观察，涂层表面较为粗糙，呈凹凸不平状，呈现出较多的孔隙和网状结构，其孔隙面积约占30％-40％。②溅射羟基磷灰石生物涂层的Ca／P比为1．7。后处理生物涂层主要成分为晶化程度高的羟基磷灰石，不存在其他钙磷杂质相。③羟基磷灰石涂层与基体的界面结合强度为51．2MPa。 结论：射频磁控溅射技术制备的羟基磷灰石生物涂层，表面形貌良好，涂层与基体的界面结合强度较高。     

HAF/YSZ梯度复合涂层的制备及结构和性能

背景：在钛合金基体表面制备涂层的方法多为等离子喷涂法、溶胶-凝胶法、离子束溅射法等,所制备的涂层性能不稳定、成分单一,且涂层物相组成较难控制。目的：采用射频磁控溅射技术在Ti6Al4V基体上制备含氟羟基磷灰石梯度复合涂层HAF/YSZ。方法：在Ti6Al4V基体上以射频磁控溅射技术制备含氟羟基磷灰石梯度复合涂层HAF/YSZ,利用X射线光电子能谱、扫描电镜等对涂层的成分分布、形貌、界面结合进行表征。通过模拟体液实验分析和评价HAF/YSZ涂层、HAF1.2涂层及羟基磷灰石涂层的生物性能。结果与结论：所制备的HAF/YSZ梯度涂层表面粗糙,呈多孔岛状结构,有利于新生骨组织生长;涂层与基体结合紧密,各层间相互扩散,整体一致性较好;经模拟体液浸泡后,涂层表面有新生物质沉积,表现出较好的生物活性及稳定性,且梯度复合涂层较氟含量单一的氟羟基磷灰石涂层具有更好的抗体液溶解能力及稳定性。     

医用镍钛形状记忆合金羟基磷灰石涂层的制备及其生物活性

背景:目前多采用等离子喷涂技术在钛及其合金表面涂覆羟基磷灰石涂层,制备成复合材料。但由于羟基磷灰石与钛合金基体的热膨胀系数相差较大,涂层在冷却过程中易产生脱落。目的:在医用镍钛形状记忆合金表面制备致密、均匀的羟基磷灰石生物陶瓷涂层,利用动物实验考查镍钛/羟基磷灰石涂层材料的生物相容性。方法:利用阴极旋转法在低温条件下从含钙、磷离子的电解水溶液中在镍钛形状记忆合金表面沉积了磷酸钙涂层,经碱处理获得羟基磷灰石涂层。分析工艺参数对涂层结构的影响。利用动物植入实验对该复合材料的生物活性进行研究,并与镍钛/羟基磷灰石与Ca3(PO3)2?2H2O混合涂层复合材料、医用镍钛形状记忆合金、医用钛合金进行对比。结果与结论:电化学沉积-碱处理方法适合在镍钛形状记忆合金表面制备羟基磷灰石生物活性陶瓷涂层,沉积电压、温度对涂层结构有强烈影响。4种不同材料植入动物体内后周围均出现不同程度的组织增生,在骨膜组织切片中都可见软骨细胞且有骨小梁形成,涂覆有羟基磷灰石涂层的植入材料组织反应较轻,相应的组织切片中所显示出的软骨细胞、骨小梁数量最多,分布均匀,表明羟基磷灰石涂层提高了医用镍钛形状记忆合金的生物活性。     

掺镧羟基磷灰石涂层的合成和性能表征

背景：在钛基体表面涂覆羟基磷灰石涂层能改善钛表面生物活性,诱导骨生长,但纯羟基磷灰石力学性能较差,易在生理环境中降解,影响种植体的稳定性。 目的：研究掺镧羟基磷灰石涂层的合成方法及其性能表征。 方法：采用溶胶-凝胶法制备纯羟基磷灰石和掺镧质量分数10%,20%,30%的掺镧羟基磷灰石,通过浸渍-提拉法在钛基体上制备纯羟基磷灰石涂层与掺镧羟基磷灰石涂层。扫描电镜观察掺镧羟基磷灰石涂层的形貌和晶粒微观结构,X射线衍射和傅里叶红外光谱分析其基团结构,原子吸收光谱测定Ca2＋浓度来分析涂层的降解性能。结果与结论：随着掺镧量的增加,羟基磷灰石衍射峰更强,结晶度更高,但对羟基磷灰石的整体结构影响较小,可维持晶体结构的稳定和电荷平衡。掺镧羟基磷灰石涂层均匀致密,与钛基底结合紧密,两者之间虽有可见的界面,但没有明显缝隙和裂纹,提示涂层具有较好的结合强度。通过模拟生物环境测定释放的钙离子得出掺镧羟基磷灰石抗酸性更强。     

HAF/YSZ梯度复合涂层的制备及结构和性能

背景:在钛合金基体表面制备涂层的方法多为等离子喷涂法、溶胶-凝胶法、离子束溅射法等,所制备的涂层性能不稳定、成分单一,且涂层物相组成较难控制。目的:采用射频磁控溅射技术在Ti6Al4V基体上制备含氟羟基磷灰石梯度复合涂层HAF/YSZ。方法:在Ti6Al4V基体上以射频磁控溅射技术制备含氟羟基磷灰石梯度复合涂层HAF/YSZ,利用X射线光电子能谱、扫描电镜等对涂层的成分分布、形貌、界面结合进行表征。通过模拟体液实验分析和评价HAF/YSZ涂层、HAF1.2涂层及羟基磷灰石涂层的生物性能。结果与结论:所制备的HAF/YSZ梯度涂层表面粗糙,呈多孔岛状结构,有利于新生骨组织生长;涂层与基体结合紧密,各层间相互扩散,整体一致性较好;经模拟体液浸泡后,涂层表面有新生物质沉积,表现出较好的生物活性及稳定性,且梯度复合涂层较氟含量单一的氟羟基磷灰石涂层具有更好的抗体液溶解能力及稳定性。     

纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的性能测试

目的:测定纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的性能。方法:实验于2005-02/2006-08在兰州交通大学材料工程研究所实验室完成。基体材料采用荷兰普拉克生化公司生产的聚乳酸(Mr 400000)。增强材料采用纳米羟基磷灰石(自制)。聚乳酸在使用前进行纯化。纳米羟基磷灰石采用水热法合成。采用共混复合工艺制备不同纳米羟基磷灰石质量分数(0,0.05,0.10,0.15,0.20)的纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料,并对其力学性能(弯曲强度、弯曲模量、剪切强度)和降解性能(降解速率)进行测试。结果:①力学性能:复合材料的弯曲强度随着纳米羟基磷灰石体积分数的增加而增大,在羟基磷灰石微粒的质量分数为0.15(体积分数为0.064)时弯曲强度出现峰值(153.6MPa),降解12周后复合材料弯曲强度仍有123.7MPa。复合材料的弯曲模量随着纳米羟基磷灰石体积分数的增加而增大,有一定的弯曲模量(5.7GPa),降解12周后复合材料弯曲模量为5.3GPa。复合材料的剪切强度随着纳米羟基磷灰石体积分数的增大呈下降趋势。②降解性能:随着降解时间的延长,复合材料的降解速率变化不大。结论:纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料能满足松质骨的骨折内固定的力学性能要求。     

电纺丝技术制备生物活性复合纤维支架及其体外降解性

背景：聚乳酸/羟基磷灰石类复合材料支架常用的制备方法主要有冷压法、粒子沥滤法、热致相分离法等,但是在增强材料界面的结合、调节材料的降解速率、改善材料的强度等方面仍不能满足要求。目的：制备左旋聚乳酸/羟基磷灰石复合纳米纤维支架。方法：采用静电纺丝法制备聚乳酸/羟基磷灰石复合纳米纤维支架。以扫面电镜对纤维的结构形态进行分析,并观察其在PBS中浸泡不同时间的体外降解过程。结果与结论：羟基磷灰石纳米粒子与聚乳酸/基体间存在化学键合,纳米粒子使纤维直径增大且表面粗糙程度增加,这种结构将有利于细胞在纤维膜上的伸展和和繁殖。羟基磷灰石的引入,抑制了聚乳酸降解过程中的自催化作用,减缓了聚乳酸的降解速度。说明电纺丝技术制备的聚乳酸/羟基磷灰石复合支架在组织工程支架材料方面具有潜在的应用前景。     

羟基磷灰石/单壁碳纳米管复合材料的表征

背景：羟基磷灰石具有接近自然人骨的强韧度和优越的生物相容性,但其力学性能却较差。目的：制成并研究一种新型生物活性材料（羟基磷灰石/单壁碳纳米管复合材料）的各种性质。方法：利用原位合成法制备羟基磷灰石单壁碳纳米管复合材料,并对其红外光谱、微观结构及XDR衍射分析,力学性能进行测试,对不同SWNT含量的SWNT/HAp复合材料弯曲强度与断裂韧性比较分析。结果与结论：成功制备出的纳米羟基磷灰石单壁碳纳米管复合材料,其抗弯强度最大增幅将近50%,达到73MPa;而断裂韧性的最大提高幅度为3倍,达到2.6MPa？m1/2。随着单壁碳纳米管复合材料含量的增加,复合材料的弯曲强度与断裂韧性呈现出缓慢上升的趋势。提示,纳米羟基磷灰石单壁碳纳米管复合材料显著提高了接近自然人骨的纳米级磷灰石骨材料的抗弯强度和断裂韧性,从而克服传统支撑骨材料的力学性能缺陷。     

电纺丝技术制备生物活性复合纤维支架及其体外降解性

背景:聚乳酸/羟基磷灰石类复合材料支架常用的制备方法主要有冷压法、粒子沥滤法、热致相分离法等,但是在增强材料界面的结合、调节材料的降解速率、改善材料的强度等方面仍不能满足要求。目的:制备左旋聚乳酸/羟基磷灰石复合纳米纤维支架。方法:采用静电纺丝法制备聚乳酸/羟基磷灰石复合纳米纤维支架。以扫面电镜对纤维的结构形态进行分析,并观察其在PBS中浸泡不同时间的体外降解过程。结果与结论:羟基磷灰石纳米粒子与聚乳酸/基体间存在化学键合,纳米粒子使纤维直径增大且表面粗糙程度增加,这种结构将有利于细胞在纤维膜上的伸展和和繁殖。羟基磷灰石的引入,抑制了聚乳酸降解过程中的自催化作用,减缓了聚乳酸的降解速度。说明电纺丝技术制备的聚乳酸/羟基磷灰石复合支架在组织工程支架材料方面具有潜在的应用前景。     

A multiscale hydrothermal carbon layer modified carbon fiber for composite fabrication

A novel multiscale hydrothermal carbon layer (MHTCL) for carbon fiber (CF) surface modification was developed. The MHTCL is a multiscale high-disorder amorphous carbon coating with a colored appearance, abundant functional groups, multiscale roughness, a large specific surface area, a high surface energy, and good wetting ability. The O/C atom ratios of the MHTCL-modified CF were in the range of 0.17–0.23, and the functional groups were mainly C–O and C O groups. During the low-concentration glucose hydrothermal treatment with the carbon fibers (CFs), the glucose generates furan derivative intermediates, which adsorb on the surface of the CFs and carbonize continuously, finally forming the MHTCL on the CFs. The fracture and rupture of the MHTCL during the forming process produce new nucleation centers on the CF surface, which result in abundant multiscale irregular particles. The MHTCL is a facile method for the modification of CFs. The fabrication of the CF composites demonstrated that the MHTCL obviously increases the interlaminar shear strength of the CF/polyimide composite and the interfacial interaction of the CF and polyetheretherketone.

A novel multiscale hydrothermal carbon layer (MHTCL) for carbon fiber (CF) surface modification was developed.     

类金刚石／酪蛋白磷酸肽复合薄膜修饰钛合金表面成骨细胞的增殖

背景：钛合金表面沉积类金刚石薄膜可提高其摩擦和抗腐蚀性能,但缺乏生物活性,在其表面接枝生物蛋白分子是一种新的生物化学改性途径。目的：观察成骨细胞在类金刚石／酪蛋白磷酸肽复合薄膜修饰钛合金表面的增殖与黏附。方法：采用非平衡磁控溅射和多步组装方法在钛合金表面制备类金刚石,酪蛋白磷酸肽复合薄膜。将对数生长期的成骨细胞悬液接种于类金刚石／酪蛋白磷酸肽复合薄膜修饰的钛合金与纯钛合金试件上。结果与结论：类金刚石／酪蛋白磷酸肽复合薄膜修饰钛合金组细胞增殖率和黏附数量高于纯钛合金组（P〈0．05）。扫描电镜显示,类金刚石,酪蛋白磷酸肽复合薄膜修饰钛合金组成骨细胞胞体显著增大,表面粗糙,边界模糊不清,细胞呈充分的铺展状态;纯钛合金组成骨细胞胞体光滑,边界线条锐利清晰,伸展不良。表明类金刚石,酪蛋白磷酸肽复合薄膜可促进钛合金表面成骨细胞的增殖与黏附。     

羟基磷灰石/单壁碳纳米管复合材料的表征

背景:羟基磷灰石具有接近自然人骨的强韧度和优越的生物相容性,但其力学性能却较差。目的:制成并研究一种新型生物活性材料(羟基磷灰石/单壁碳纳米管复合材料)的各种性质。方法:利用原位合成法制备羟基磷灰石单壁碳纳米管复合材料,并对其红外光谱、微观结构及XDR衍射分析,力学性能进行测试,对不同SWNT含量的SWNT/HAp复合材料弯曲强度与断裂韧性比较分析。结果与结论:成功制备出的纳米羟基磷灰石单壁碳纳米管复合材料,其抗弯强度最大增幅将近50%,达到73MPa;而断裂韧性的最大提高幅度为3倍,达到2.6MPa?m1/2。随着单壁碳纳米管复合材料含量的增加,复合材料的弯曲强度与断裂韧性呈现出缓慢上升的趋势。提示,纳米羟基磷灰石单壁碳纳米管复合材料显著提高了接近自然人骨的纳米级磷灰石骨材料的抗弯强度和断裂韧性,从而克服传统支撑骨材料的力学性能缺陷。     

Anti-greasy and conductive superamphiphobic coating applied to the carbon brushes/conductive rings of hydro-generators

A superamphiphobic coating is usually prepared via a reduction reaction and then deposited onto the surface of the substrate. This technology is difficult to control and achieve high bond strength, which easily leads to powder shedding. To overcome this issue, electroplating technology is usually preferred for preparing adhesion coatings. However, the coating prepared using this method is usually suitable only for hard steel substrates, and not for soft substrates such as carbon brushes. Herein, we demonstrate an air spray technology for preparing anti-greasy and conductive superamphiphobic graphite-1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrichlorosilane–SiO₂ (GPS) coatings suitable for both soft substrates (carbon brushes) and hard substrates (collector rings). The sheet resistance of the coating with 10% graphite content is 4.8 × 10⁻³ Ω □⁻¹ for a 10 μm thin coating, corresponding to a resistivity of 4.8 μΩ cm. More importantly, the prepared coating has excellent liquid repellency, such as water, rapeseed oil and n-hexane. In addition, the coating has excellent anti-greasy and mechanical properties, which provide a brand-new solution for the greasy pollution in the engineering field. These advantages will enhance the application of superamphiphobic GPS coating in the fields of hydropower, wind power and transportation, and so on.

A simple and low-cost method is used to prepare a superamphiphobic coating with excellent anti-greasy and conductivity properties that can be used on the surface of carbon brushes and collector rings.