银掺杂对类金刚石薄膜微观结构及摩擦学性能的影响

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类金刚石碳薄膜（DLC）因为具有良好的耐磨性、化学惰性和生物相容性，被认为是最具有发展前景的人工关节表面改性材料。然而，较大的残余应力会引起薄膜服役过程中膜基结合失效，从而导致关节植入体的功能失效。DLC薄膜掺杂非碳化物金属元素可以有效地降低薄膜残余应力，提高膜基结合力。而银掺杂DLC（Ag-DLC）薄膜由于其良好的生物相容性和抗菌性，在人工关节表面改性方面具有巨大的应用前景。本论文首先采用高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）技术，在 Ar/C2H2气氛中，通过调节Ar流量，对DLC薄膜的微观结构进行调控，进而优化DLC薄膜的力学性能。进一步地，通过在石墨靶上镶嵌Ag棒，采用Ag镶嵌石墨靶制备了Ag-DLC薄膜。通过检测靶材电压电流以及发射光谱对靶材放电特性进行分析，并对薄膜的微观结构和力学性能进行了评价。最后，通过摩擦磨损试验对比了DLC薄膜和Ag-DLC薄膜的耐磨性能，探究了DLC薄膜和Ag-DLC薄膜的不同摩擦机理。研究结果表明：（1）调节Ar流量制备DLC薄膜发现，随着Ar流量的增加，DLC薄膜沉积速率和表面粗糙度的降低，且DLC薄膜的压应力和硬度增加。（2）调节Ar气流量制备Ag-DLC薄膜时发现，随着Ar气流量的增加，Ag-DLC薄膜沉积速率逐渐降低，而各样品之间的显微硬度和耐磨性无明显差异。当Ar气流量超过20 sccm时，薄膜出现一定程度的石墨化，应力逐渐降低。当C2H2流量为5 sccm时，仅仅调节Ar气流量不能改变靶材中毒程度，Ag-DLC薄膜中Ag的含量基本保持不变（50 at.%左右）。（3）调节 Ar/C2H2相对比例制备 DLC 和 Ag-DLC 薄膜发现，随着 C2H2比例的增加，DLC薄膜和Ag-DLC薄膜的沉积速率增加，薄膜中sp3杂化的C-C键的含量降低，薄膜应力和硬度降低。而Ag-DLC薄膜中的Ag含量，随着C2H2比例的增加而逐渐降低。在空气介质中的摩擦实验结果表明，相对低含量的Ag掺杂显著提高了DLC薄膜的耐磨性。Ag-DLC薄膜的磨损率随着Ag含量的增加而降低，其中2.99 at.%Ag的Ag-DLC薄膜磨损率最低为7×10-17 m3/N.m。Ag-DLC薄膜磨痕处及Al2O3磨斑处发现了具有减磨作用的富Ag“棒状物磨屑”。

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作者
张永振;
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作者单位

西南交通大学;

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授予单位西南交通大学;
学科生物医学工程
授予学位硕士
导师姓名冷永祥;
年度 2018
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类半导体技术;
关键词
银掺杂; 类金刚石薄膜; 微观结构; 摩擦学性能;

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