钛合金表面仿生多层膜的构建及其生物摩擦学特性研究

针对人工关节尤其是髋关节的受力特点和服役环境，依据仿生学原理，通过贝壳珍珠层结构仿生解决金属陶瓷脆性的缺点，以插入软质润湿性好的Ti为夹心层来增加整体结构的韧性以及薄膜与基体间的结合强度，构建类贝壳珍珠层结构的周期性Ti/TiB2纳米结构多层膜，采用磁控溅射沉积技术在医用钛合金表面制备(Ti/TiB2)n仿生多层膜，研究Ti/TiB2多层膜的工艺参数、以及调制周期和调制比等设计参数与多层膜各力学性能之间的关系，并对多层膜在不同生理介质中的生物相容性和生物摩擦学特性进行系统研究。通过计算机辅助设计和仿真，构建(Ti/TiB2)n仿生多层膜的强韧化模型，揭示仿生多层膜的增韧机理，探讨(Ti/TiB2)n仿生多层膜在模拟人体环境中的腐蚀磨损规律和机理，建立可合理解释腐蚀磨损交互作用的数学模型，为仿生多层膜的生物医学应用提供理论基础，也为强韧结合需求的机械设计和复合材料提供新的设计理念。

根据贝壳珍珠层结构的仿生启示，以金属Ti为软层，通过它对脆性大的金属陶瓷TiB2进行过渡层韧化，利用磁控溅射的方法在医用钛合金Ti6Al4V表面制备出Ti/TiB2周期性多层膜。研究了Ti/TiB2周期性多层膜的组织结构、微观形貌，在Hank’s模拟体液中的耐腐蚀性能，硬度、弹性模量、膜基结合力、断裂韧性等力学性能，重点考察了多层膜在水、Hank’s模拟体液和牛血清中的生物摩擦学性能。.研究结果表明：（1）Ti/TiB2多层膜具有清晰的纳米层状结构，薄膜表面致密平整，与基体保持着良好的物理结合。多层膜中的TiB2具有(001)晶面择优生长倾向。（2）不同膜层的自腐蚀电位变化为：ETi/TiB2＞ETiB2＞ETi＞ETi6Al4V，多层膜能起到屏蔽腐蚀介质渗入、保护基体的作用，明显降低了基体中Al3+的析出量， Al3+释放速率为基体材料的1/6。（3）多层膜的硬度和弹性模量随着调制周期和调制比的增加而增大，在周期T=12时，多层膜的硬度和弹性模量达到最大值，分别为35.8 GPa和349 GPa；多层膜与基体的结合力呈现出先增大然后下降的趋势，当调制比Λ=3时，膜基结合力最高可以达到12.6 N；多层膜的断裂韧性随着调制比的增加呈现出先增大而后减小的趋势，多层膜的断裂韧性随着周期的增加呈现出先增大而后减小的趋势，当周期数T=6、调制比Λ=5时多层膜的断裂韧性最好，其断裂韧度为2.26 MPa•m1/2，比TiB2单层膜提高了60%以上。多层膜中的Ti子层可使裂纹尖端产生钝化作用，从而引起裂纹扩展路径发生偏转，提高了多层膜的断裂韧性。（4）多层膜在水中的摩擦系数最高、血清次之、模拟体液中最低；在模拟体液中，调制比为1:5多层膜的摩擦系数仅为0.1，分别低于TC4基体和单层膜16.7％和28.6％；多层膜的引入显著降低了UHMWPE的磨损率，随着调制比的增加，UHMWPE的磨损率呈先下降后上升的趋势，在调制比为1:5时降到最小，与TC4基体相比，多层膜在水、体液和血清中的耐磨性分别提高了13倍、5倍、9倍。多层膜的引入有效地抑制了TC4合金的氢致氧化磨损，并随调制结构的不同而表现为不同程度的磨粒磨损和粘着磨损。（5）仿生多层膜优异的性能有望在人工关节、人工颈椎等材料表面改性获得广泛应用。