钴铬合金和纯钛怎么样 纳米非晶金刚石薄膜与纯钛及钴铬合金表面结合强度的研究

　　［摘要］目的：研究纳米非晶金刚石薄膜与纯钛及钴铬合金表面结合强度以及镀膜厚度对结合强度的影响。方法：制备钴铬合金和纯钛圆片试件各20个，将纯钛与钴铬合金试件随机分成a1、b1及a2、b2各两组。a1、a2组试件表面镀膜膜厚50nm；b1、b2组试件表面镀膜膜厚100nm。采用薄膜结合强度测试仪测试镀膜后试件的膜／基结合强度（Lc）。结果：a1、b1两组以及a2、b2两组Lc均存在显著性差异（P＜0.05）；膜厚相同时，纯钛和钴铬合金试件Lc之间也存在显著性差异（P＜0.05）。结论：纳米非晶金刚石薄膜可以与纯钛及钴铬合金材料达到较好的结合；膜厚相同时，纳米非晶金刚石薄膜与纯钛表面的结合强度优于钴铬合金；镀膜厚度对纳米非晶金刚石薄膜与纯钛及钴铬合金的结合强度有明显影响，因此在镀膜时应选择适宜的膜厚。
　　［关键词］纳米材料；非晶金刚石薄膜；结合强度；纯钛；钴铬合金
　　[中图分类号]R783[文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2008）10-1491-03
　　
　　Research about the bonding strength of nanometer amorphous diamond film on the surface of dental pure Ti and Co-Cr alloys substrates
　　CHEN Gang1,ZHAO Xiao-lin1,LI Bin2,YAO Yue-ling2
　　(1.Department of Stomatology,the 323rd Hospital of PLA, Xi"an 710054, Shaanxi,China;2.Department of Prosthodontics,Stomatological College,Fourth Military Medical University,Xi"an 710032,Shaanxi,China)
　　
　　Abstract:ObjectiveTo study the bonding strength of nanometer amorphous diamond film on the surface of dental pure Ti and Co-Cr alloys substrates and influence of the thickness of film on bonding strength. MethodsWe respectively prepared 20 wafers of pure Ti and Co-Cr alloys. Both the wafers of pure Ti and Co-Cr alloys were divided into two groups(a1、b1 and a2、b2) .The groups a1 and a2 were plated with nanometer amorphous diamond film in thickness 50nm and the groups b1 and b2 were plated with the film in thickness 100nm. Finally, we used scratch test to measure the adhesion(Lc) of nanometer amorphous diamond film on pure Ti and Co-Cr alloys substrates. Results There was significant difference between the groups a1 and a2 on Lc, so was the difference between the groups b1 and b2 as well. Moreover，in the same thickness, there was significant difference between pure Ti and Co-Cr alloys on Lc.ConclusionNanometer amorphous diamond film can be adhered well to dental pure Ti and Co-Cr alloys substrates and its thickness will obviously influence the bonding strength，therefore, we should choose the more appropriate thickness. In the same thickness, the adhesion of nanometer amorphous diamond film on pure Ti substrate is better than Co-Cr alloys substrate.
　　Key words:nanometer material;amorphous diamond film;bonding strength; pure Ti;Co-Cr alloys
　　
　　纳米非晶金刚石薄膜是将金刚石、类金刚石薄膜制备工艺与纳米技术相结合的产物，是一种新型的功能薄膜材料。在纳米非晶金刚石薄膜的应用中，首先要求薄膜与基体之间具有足够的界面结合强度，这也是保证薄膜满足力学、物理和化学等使用性能的基本前提。本实验目的在于研究纳米非晶金刚石薄膜与牙用纯钛及钴铬合金表面的结合强度以及镀膜厚度对结合强度的影响，从而为纳米非晶金刚石薄膜的实际应用提供科学的依据。
　　
　　1材料和方法
　　1.1材料与仪器设备：JM-2型纳米金刚石镀膜机（西安百纳科技有限公司生产）；薄膜结合强度测试仪，显微镜（西安轻工钟表研究所）；纯钛棒材（陕西宝鸡有色金属总公司）；硬质钴铬合金锭（上海常平牙科材料有限公司）。
　　1.2 试件的制作：先将硬质钴铬合金锭铸造成直径20mm、长15cm的圆棒，随后分别从已铸造的钴铬合金圆棒和成品纯钛棒材上截取直径15mm、厚度2mm的圆片各20个，表面用200＃，400＃，600＃，900＃，1000＃，1200＃金相砂纸逐级打磨、抛光、中性洗剂清洗脱脂，丙酮超声清洗，干燥后备用。
　　1.3实验分组：将纯钛试件随机分成实验组a1与 b1两组，每组10个；钴铬合金试件也随机分成实验组a2与b2两组，每组10个。
　　1.4试件的镀膜处理：将各组试件固定于JM-2型纳米金刚石镀膜机内，试件首先进行镀膜前极化预处理，随后实验组a1与a2的试件表面镀膜8min（膜厚50nm），实验组b1与b2的试件表面镀膜15min（膜厚100nm），出炉后备用。
　　1.5实验方法：按镀膜结合强度测试标准GB/T8554-1997，用薄膜结合强度测试仪测试纯钛和钴铬合金试件的膜/基结合强度（120°锥角，SR0.2mm金刚石划头）。X100、X400显微镜观察结果。
　　1.6数据统计：用SPSS统计软件(SPSS10.0版本)对测试所得各试件的膜基临界载荷Lc进行统计学分析(两样本t检验)。
　　
　　2结果
　　纯钛和钴铬合金不同镀膜厚度试件测试所得膜/基结合强度（膜基临界载荷Lc）统计分析结果见表1。用SPSS统计软件进行两样本t检验得：（1）实验组a1与实验组b1的膜基临界载荷Lc之间存在显著性差异（P＜0.05），实验组a1的膜/基结合强度略高于实验组b1；（2）实验组a2与实验组b2的膜基临界载荷Lc之间存在显著性差异（P＜0.05），实验组a2的膜/基结合强度略高于实验组b2；（3）膜层厚度相同时，纯钛和钴铬合金试件的膜基临界载荷Lc之间存在显著性差异（P＜0.05），纯钛试件的膜/基结合强度高于钴铬合金试件。
　　
　　
　　3讨论
　　纳米非晶金刚石薄膜是一种新型的类金刚石薄膜，目前已有多位国内学者将其应用于口腔义齿材料的表面改性处理［1-4］，实验结果证明纳米非晶金刚石薄膜在口腔医学领域具有广阔的应用前景。
　　纳米非晶金刚石薄膜应用于口腔义齿材料的表面处理，其首要前提是薄膜与口腔义齿材料表面能够形成很好的结合，否则薄膜容易在应用中产生裂纹、皱褶、甚至脱落。金刚石、类金刚石薄膜的膜/基结合强度是评价薄膜质量的关键指标［5］，目前有多种方法测量膜/基结合强度，例如划痕法、直接拉伸法、刮削式测量法等，其中划痕法应用较为普遍。划痕法以膜/基临界载荷（Lc）为测试参数，实验条件简单易行，可重复性强，对基底材料的性能、表面状态、薄膜的性能等具有较高的敏感性，其测量结果可用于对薄膜结合强度的定性描述。
　　采用划痕法做结合强度测试是在划痕试验机上进行。具体方法是用一个半球形刚性压头，在垂直载荷作用下，划过镀膜试样表面，逐渐增加载荷，直至薄膜出现剥落，此时所加载的力的大小为膜/基临界载荷（Lc）［6］，单位为力学单位牛顿（N）。在划痕过程中，薄膜受压应力作用开裂，界面剪切破坏，在摩擦作用下脱落，所以实验结果反映的是界面剪切强度。
　　影响薄膜结合强度的因素有很多，内应力是决定薄膜稳定性和寿命的重要因素，内应力高的薄膜在应用中更容易产生裂纹、褶皱、甚至脱落，所以制备的薄膜最好具有适中的压应力。分析表1的数据结果可知，无论是纯钛还是钴铬合金试样，其镀膜50nm厚度者的膜/基临界载荷（Lc）均高于镀膜100nm厚度者，两者之间存在非常显著的统计学差异（P＜0.05），该结果与钟科等学者研究纳米非晶金刚石薄膜与义齿基托树脂材料结合强度所得结果相类似［1］。由此可见，相同材料的试件表面，由于镀膜时间不同，所得薄膜厚度不同，其结合强度亦不同；这是因为薄膜的内部应力决定薄膜的稳定性和使用寿命，薄膜越厚，内应力越大，稳定性越差，膜/基结合强度越低，在划痕试验中，在较小的载荷下薄膜更容易发生剥脱［7］。
　　衬底材料性质也是影响薄膜结合强度的一个重要因素。分析表1的数据结果可以发现，在镀膜厚度相同的情况下，纯钛表面镀膜的膜/基临界载荷（Lc）均高于钴铬合金，两者之间存在非常显著的统计学差异（P＜0.05）。我们知道，薄膜从基底上剥落，最常见的有两种类型：一种是薄膜与基底结合不好，在薄膜与基底之间未形成过渡区，在受到较大外力时，薄膜很容易从基底上完全剥落；第二种类型是薄膜与基底之间己形成过渡区，有较高的结合强度，只在薄膜内应力过大的情况下，才会出现破损，导致脱膜。因此，薄膜与基底之间形成过渡区可以有效提高薄膜的结合强度，而这一点取决于衬底材料的性质。已有研究证实，钛是一种强碳化物形成元素，用钛金属做衬底材料沉积金刚石薄膜时，在钛金属与金刚石薄膜之间可形成以TiC为主要成分的过渡层从而有效提高薄膜的结合强度［8］。
　　实验研究表明：纳米非晶金刚石薄膜可以与纯钛及钴铬合金材料达到较好的结合；镀膜厚度相同时，纳米非晶金刚石薄膜与纯钛表面的结合强度优于钴铬合金；此外，50nm厚度的镀膜与纯钛及钴铬合金表面的结合强度大于100nm厚度者，因此，在纯钛及钴铬合金表面镀制纳米非晶金刚石薄膜应该选择适宜的膜厚，并非是越厚越好。
　　
　　[参考文献]
　　[1]钟 科,姚月玲,黎永钧,等.纳米非晶金刚石薄膜与热凝义齿树脂材料的结合力研究[J].中国美容医学，2003，12(1)：63-65.
　　[2]李 斌,姚月玲,安银东,等.纳米非晶金刚石膜抗口腔白色念珠菌粘附作用的研究[J].中国美容医学,2005，14(2)：203-204.
　　[3]孙 延,姚月玲,黎永钧,等.纳米非晶金刚石薄膜对树脂人工牙耐磨性及其影响因素的实验研究[J].中国美容医学，2004，13(1)：60-62.
　　[4]陈 钢,姚月玲,李 斌,等.纳米非晶金刚石薄膜对纯钛腐蚀性能的影响[J].中国美容医学，2005，14(1):60-62.
　　[5]Kurt H，Stem．Metellurgical and Ceramic Protective Coating[M].London：Chaopman＆Hall，1996：306-333．
　　[6]侯晏红,曹学亮,吴一平,等.Ti-Al-Ｎ系功能梯度薄膜结合强度的实验研究[J].功能材料,2000，3(增刊):87-88.
　　[7]Chr Weissmantel, C.SchürerF, et al.Mechanical Properties of Hard Carbon Films[J].Thin Solid Films,1979，61: L5-7.
　　[8]戴达煌,周克崧.金刚石薄膜沉积制备工艺与应用[M].北京:冶金工艺出版社,2001:28-30.
　　
　　[收稿日期]2008-07-18[修回日期]2008-08-25
　　编辑/何志斌