[发明专利]一种钛合金表面Ag掺杂TiO2薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面Ag掺杂TiO₂薄膜的制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

钛合金具有密度接近人骨、弹性模量低、耐腐蚀、生物相容性好等优点，而被广泛应用于生物医用领域，如人工关节、牙种植体、心血管植入支架及其它植入体和医疗器械等。然而，钛合金不具备抗菌能力，在临床使用时植入人体内易引起细菌感染，从而导致植入失败。无机抗菌剂因为具有良好的抗菌能力和热稳定性被广泛用来改善生物材料的抗菌能力。在所有的无机抗菌剂中，Ag作为一种广谱抗菌剂，具有高效的抗菌能力，且合适的Ag含量对细胞没有毒性，因而受到了研究者的广泛关注。

目前采用的一些表面改性技术，如离子注入、镀膜、化学合成等，可在钛合金表面形成含Ag的抗菌改性层。但作为植入材料，在使用过程中还要承受磨损、腐蚀及其协同作用的损害。上述这些方法制备的含Ag改性层很难让钛合金在具备抗菌功能情况下，同时具有较好耐蚀及耐磨性能。离子注入和化学合成制备的改性层较薄，在腐蚀及磨损过程中极易损耗；抗菌薄膜在使用过程中容易开裂。

TiO₂化学性质稳定，安全无毒，是一种重要的无机功能材料。在金属材料表面制备的TiO₂改性层，除了具有较好的光催化性能之外，还具有优良的抗腐蚀及耐磨性能。在钛合金植入体表面制备TiO₂改性层，还可以阻止基体材料中有害元素（如Al、V）的释放。此外，研究表明，TiO₂在人工体液中还具有较好的生物相容性。

现有技术直接采用磁控溅射，如公开号为 CN 1557990A的中国专利公开了一种“接触角可调的Ag/TiO₂ 复合薄膜及其制备方法”，该方法致力于制备表面具有憎水性能的防雾薄膜。若采用这种方法在钛合金表面制备Ag掺杂TiO₂薄膜，形成的薄膜由于与基体材料性质差异大，易产生开裂、剥落现象，并且直接在反应溅射过程中通入氧气，容易导致“靶中毒”，会影响工艺稳定性及薄膜沉积速率。

发明内容

本发明旨在提供一种钛合金表面Ag掺杂TiO₂薄膜的制备方法，通过该方法在钛合金表面制备了与基体结合良好的Ag掺杂TiO₂薄膜，使基体具有优良的抗菌、耐蚀、耐磨及生物相容性，在临床使用时解决了钛合金作为植入体容易引起细菌感染的问题，且避免了传统抗菌薄膜易损耗失效的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钛合金表面Ag掺杂TiO₂薄膜的制备方法，首先利用磁控溅射技术在钛合金表面制备TiAg薄膜，然后在马弗炉中进行热氧化处理，通过氧化和扩散，在钛合金表面形成与基体结合良好的Ag掺杂金红石型TiO₂薄膜。

具体地说，所述制备方法包括以下步骤：

（1）磁控溅射镀膜

①将抛光后的钛合金基材和TiAg合金靶材置于磁控溅射镀膜设备中，抽真空至1×10^-4 Pa以下后，关闭高阀，通入高纯氩气，气压控制在3～8Pa；开启工件电压，工件电压控制在-800V，对工件进行20min离子轰击溅射处理；清洗结束后，关闭电压和气体，抽真空至极限真空度；

②重新冲入氩气，开启工件电源和源极电源，缓慢升高电压，逐渐调整电压和气体压强，使得工件电压控制在-100V，源极电压控制在350～450V，工作气压保持在6～10 Pa；镀膜20~120min，关闭源级电源，工件电源及氩气，继续抽真空，待工件温度降至室温，关闭冷却水，打开炉体取出试样；在钛合金表面制备了TiAg薄膜；

（2）热氧化处理：

将表面镀膜后的钛合金工件放在马弗炉中，控制加热温度为400~1000℃，TiAg薄膜在空气中发生热氧化，并与基体互扩散，保温1~6h，关闭电源，冷却至室温，取出样品。

进一步地，所述TiAg合金靶材是按照下列原子比冶炼而成：Ag的原子百分含量为1%-20%，Ti的原子百分含量为80%-99%。

更进一步地，在钛合金表面镀膜时间优选为40~80min。

更进一步地，在马弗炉中加热温度优选为600~800℃，热氧化时间优选为2~4h。