下载文档原格式
材料工程中的材料表面改性技术材料工程是指通过对物质进行选择、设计及制备等一系列工艺技术的研究，以满足各种工程要求的学科。
随着现代工业、科学的不断发展，材料工程在我国的重要性越来越突出。
而材料表面改性技术作为材料工程领域的一个研究热点，尤为重要。
一、材料表面改性技术的定义材料表面改性技术是材料工程中的一个研究方向，是指通过物理、化学、机械等手段对材料表面进行改性的一种技术。
通过改变材料表面的物理、化学、机械等性质，可以改善材料性能，提高应用效果。
二、材料表面改性技术的分类材料表面改性技术可以分为物理改性、化学改性和机械改性三个方面。
1.物理改性物理改性是指通过物理手段对材料表面进行改变，其主要包括磨削、抛光、喷砂、离子注入、激光处理等方法。
其中，离子注入可使表面产生高度压应力，提高表面硬度；激光处理则可以在一定深度及表面上形成网状结构，进而提高材料表面的耐磨性、耐蚀性和耐氧化性。
2.化学改性化学改性是指通过化学手段对材料表面进行改变，其主要包括表面硬化、电解硬化、电沉积、化学蒸发沉积、喷涂等方法。
其中，喷涂是将高能量的流体材料喷射到材料表面上形成一层薄的保护膜，目的是提高材料表面的抗磨性、耐蚀性和耐高温性。
3.机械改性机械改性是指通过机械手段对材料表面进行改变，其中包括压缩、拉伸、机械合成等方法。
其中，机械合成是将材料在高温、高压、高速等条件下进行混合处理，形成新的复合材料，以达到增强材料硬度、韧度、塑性和耐磨性的目的。
三、材料表面改性技术的应用材料表面改性技术在各个领域都有着广泛的应用，如机械制造、电子、航空航天、汽车和医疗等行业。
1.机械制造机械制造行业对材料表面的硬度、韧度、磨损和腐蚀等性能要求较高，因此该行业广泛应用材料表面改性技术。
例如，机械制造行业中广泛使用的是喷涂技术，可以增强机械零件的耐磨性和耐蚀性。
2.电子电子行业应用材料表面改性技术主要是为降低材料表面的电阻和电噪声等。
例如，利用电沉积技术封闭材料表面的孔洞，可以提高材料的绝缘性和降低电噪声。
钛合金在生物医用领域的应用优势雷霆;李红梅【摘要】The performance advantages and application status of titanium alloys in biomedical fields were introduced. The biomedical metallic materials have four basic properties including mechanical properties, biocompatibility, corrosion and wear resistance, and osseointegration. Because of the advantages of titanium alloys such as lower elastic modulus, excellent corrosion resistance and enhanced biocompatibility, it becomes the best choice for biomedical metallic materials.%介绍了钛合金在生物医用领域的性能优势及应用现状.生物医用金属材料必备的四个基本性能,机械性能、生物相容性、耐腐蚀和耐磨性和骨结合性.钛合金具有较低的弹性模量、耐腐蚀、生物相容性优异等特点成为医用金属材料的首选.【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2012(041)005【总页数】5页(P58-61,64)【关键词】生物医用材料;钛合金;生物相容性【作者】雷霆;李红梅【作者单位】昆明冶金高等专科学校,云南昆明650033;昆明理工大学冶金与能源工程学院,云南昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TG139生物医用金属材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的金属或合金，主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官的制造［1］。
经不同表面改性处理的钛合金的微动疲劳和微动磨损行为对比研究本文研究了经不同表面改性处理的钛合金在微动疲劳和微动磨损行为方面的对比。
首先，我们使用机械划伤和电化学抛光的方法对钛合金进行了表面改性处理，得到了三组不同表面形貌的试样。
然后，利用微动实验仪对这三组试样进行了微动疲劳和微动磨损测试。
通过分析试验结果，我们发现不同表面改性处理的钛合金在微动疲劳和微动磨损行为上存在较大差异。
其中，经过机械划伤处理的试样表现出较高的微动疲劳寿命和较低的微动磨损速率。
而经过电化学抛光处理的试样则表现出较低的微动疲劳寿命和较高的微动磨损速率。
综合考虑试验结果，我们认为机械划伤处理能够显著改善钛合金的微动疲劳和微动磨损性能，而电化学抛光处理则对其产生负面影响。
这些研究结果对于设计和制造高性能钛合金微动部件具有重要的指导意义。
此外，我们还对比研究了不同表面改性处理的钛合金在微动疲劳和微动磨损机制上的差异。
通过扫描电子显微镜（SEM）的观察，我们发现经过机械划伤处理的试样表面形成了一层较为均匀且致密的划痕区，这可能有助于增强材料的耐疲劳性能和抵抗微动磨损。
而经过电化学抛光处理的试样表面出现了较为光滑的表面，但也存在着微小的缺陷和微观裂纹，这可能导致其微动疲劳寿命和微动磨损速率的增加。
此外，我们还对两组试样的表面硬度进行了测量，并发现经过机械划伤处理的试样表面硬度较高，而经过电化学抛光处理的试样表面硬度较低。
这与之前观察到的微动磨损速率的差异相吻合，说明表面硬度与微动磨损行为之间存在一定的关联。
在实验中，我们还考虑了其他因素对微动疲劳和微动磨损行为的影响，如载荷大小、接触面积等。
通过对不同参数的变化进行分析，我们发现在相同载荷下，经过机械划伤处理的试样具有较高的疲劳寿命和较低的磨损速率。
这进一步证实了机械划伤处理能够显著改善材料的微动性能。
综上所述，本研究对经不同表面改性处理的钛合金在微动疲劳和微动磨损行为方面进行了对比研究。
表面改性提高医用钛合金生物活性专利分析
摘要从专利技术分析角度去了解医用钛合金领域的现状及专利布局，深入地认清世界范围内该领域发展现状，从中寻找我国在该领域的差距和优势，对国内医用钛合金生产企业提供技术升级的参考和风险措施的应对，提高我国医用钛合金产业的国际竞争力，从需求大国迈向技术强国具有极其重要的参考作用。
关键词医用钛合金；生物活性；专利分析
中图分类号q81 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）
93-0116-02
近几年来，钛合金以其良好的生物相容性、与骨组织相近的弹性模量及在生物环境下优良的抗腐蚀性，在临床得到了广泛的应用。
然而，医用钛合金与骨的结合是一种机械锁合，植入人体后将长期与组织、细胞或血液直接接触，它们之间的相互作用将产生各种不同的反应，使各自的功能和性质受到影响，有可能在生物体内发生毒性、炎症、血栓等反应。
因此，材料的生物活性优劣是医用钛合金材料研究设计中首先考虑的重要问题。
由图1可看出，从专利申请数量来看，申请量总体呈现起伏式递增趋势，2000年之前的申请量较少，2000年到2011年申请量较2000年前有了较大的增长，这与近十年来生物材料及制品的市场增长率一直保持在30%左右是相吻合的。
2008-2009年金融危机带来的经济萧条并未导致各企业对知识产权重视度的下降，相反申请量的增加证明了各实业集团对知识产权重视程度的提高。
由图2可看出，
排名前四的申请人所属国家依次为美国、日本、中国、瑞典。
美国的申请人量较其它三个国家有较大的差距，可见美国对该领域具有极大的重视程度。
中国申请人数量与位于第二位的日本相差很小，说明医用钛合金生物活性研究在中国已经受到比较广泛的重视，进入发展通道。
2提高生物活性的钛合金表面改性
2.1钛合金表面形貌的改变
表面形貌改变的方法通常有机械方法和化学蚀刻法。
机械方法即采用喷砂、液体射流、离子束轰击等方式对材料表面进行粗糙、多孔化处理。
us5236459a公开使用高压液体射流从植入物表面除去一部分金属，从而形成具有“锚定区”的植入物表面的方法，其中“锚定区”的直径可在0.5mm～1.5mm之间变化，该“锚定区”为骨组织提供了良好生长的环境。
化学蚀刻法即将植入体合金在一定条件下与通常为酸的蚀刻溶液接触移除部分从而得到粗糙表面的技术。
ep10159872a公开将ti6al4v合金与质子浓度至少0.8n、氯离子浓度至少1n的蚀刻溶液接触一定时间，溶液温度20至100℃，由此可形成多个独立地具有约200nm～10μm的直径的表面特征。
2.2表面涂层技术
表面涂层的方法有很多，主要包括等离子喷涂，激光熔覆、电泳沉积法，离子束溅射法、微弧氧化法等。
目前研究较多的表面涂层种类是，羟基磷灰石涂层、二氧化钛涂层、磷酸钙涂层、钛酸盐涂层。
羟基磷灰石分子式为ca10（po4）6（oh）2。
其与人体骨中骨磷灰石的晶体结构相似，含有人体组织所必需的钙和磷元素，且不含有其他有害元素，植入体内后，在体液的作用下，钙和磷会游离出材料表面，被机体组织吸收，并能与人体骨骼组织形成化学键结合，长出新的组织。
us2003099762 a1公开一种植入物涂层，包括：位于植入物上的第一层，具有第一热膨胀系数，包括一种选自氧化物、氮化物、硼化物、碳化物和两种或多种物质混合物的材料；和位于第一层上的第二层，具有第二热膨胀系数，包括一种结晶度大于约90%的磷灰石和一种在体液中是惰性的粘合剂；其中该第一和第二热膨胀系数之差小于或等于约1×10-6/℃。
磷灰石选自羟磷灰石，氟磷灰石，羟氟磷灰石，和两种或多种磷灰石的组合。
第一层起到第二层和金属基片之间反应障的作用，第二层为植入物表面上骨的加速生长提供生物活性。
ep2316499a1公开在具有粗糙表面的待植入物区域，通过热喷涂方法使该粗糙区域具有包含羟基磷灰石的陶瓷涂层；银的杀生物离子吸收在该陶瓷涂层中，并在植入后逐渐浸出到体液中。
羟基磷灰石提高了骨头重新长入到该植入物中的能力，同时该银离子抑制了感染。
二氧化钛涂层具有化学性质稳定、耐腐蚀和血液相容性好等特点。
cn102100926a公开以经表面活性剂改性的单分散聚苯乙烯球为模板，无机钛盐水溶液为前驱液，制成处理溶液；以纯钛或者钛合金作为基体，将纯钛或者钛合金浸没于处理溶液中，保持处理溶液温度在60℃～120℃、24h～50h，其中至少0.25h～2h同时以紫外
光照射并且所述的基体在60℃～100℃的处理溶液中浸泡；将浸泡后的基体取出，浸入能溶解聚苯乙烯的有机溶剂中浸泡去除聚苯乙烯后，再在去离子水中浸泡晶化，完成薄膜的沉积。
该发明以单分散聚苯乙烯球为模板，廉价无机钛盐为原料，在低温下通过水解-溶胶法制备了自组装纳米晶二氧化钛微胶囊生物薄膜，薄膜该良好的生物活性。
对于磷酸钙涂层， cn101927034a公开了一种涂覆有掺锶聚磷酸钙涂层的骨修复用植入体及其制备方法，包括：将150-300目之间的掺锶聚磷酸钙粉料用等离子喷涂设备吹喷掠过等离子焰喷涂在钛金属基体表面形成涂层，钛金属基体表面充分涂覆后，自然冷却即为植入体材料初级产品；植入体材料初级产品清洗干燥后，于700℃～800℃下保温退火，充分退火后缓慢冷却，即为制备的植入体产品。
本发明公开的植入体具有更好的生物活性，有促成骨细胞生长和促血管化功能，能够改善植入体和组织间的界面相容性，促进骨性结合。
可用作骨修复材料和口腔牙种植体，并易于商业化推广。
对于钛酸盐涂层， cn1709521a 公开在钛或钛合金表面原位自生钛酸钾晶须生物活性涂层的方法，该方法采用ti-mo等钛合金为基体材料，经表面清理后用氢氟酸腐蚀，最后用由硝酸和盐酸按公知比例配制的混合酸钝化除杂，待用；将固体粉状k2co3与tio2按摩尔比为1：2～1：6混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在经预处理后的钛合金基体表面，然后放于干燥箱中干燥，最后放入箱式
电阻炉中随炉升温到800℃～1200℃煅烧，保温0.8h～2h后降温到200～600℃时取出剥去包覆层，即在钛合金基体的表面原位自生一层钛酸钾晶须生物活性涂层。
随着医用钛合金应用的不断深入，一些新的表面改性方法也不断涌现。
包括氟磷灰石涂层、六钛酸钾涂层、大分子蛋白质涂层等。
上述涂层技术分别根据医用钛合金的物理化学性质、生化效应等特性开发设计，并在实践中取得了一定的效果。
相关专利可参考
ep1740128a1、wo2008074175a2等。
3 结论
通过以上专利性分析可以看到，表面改性技术在提高医用钛合金生物活性方面有着广泛的应用，其改性方法及改性涂层种类呈多元化发展趋势。
随着经济全球化进程加快，专利在社会发展中所起的作用日益凸现出来，人们对专利的重视度也日益增长，中国在该领域的研究方面也取得了长足进步，无论是申请量还是研究技术分布方面都呈现较快发展势头，但我们仍要看到与该领域传统强国的差距，进一步深化研究，增强专利保护意识，促进医用合金技术的发展，为保障人类身体健康做出更大的贡献。
参考文献
[1]刘华，崔春翔，申玉田.生物医用钛合金的表面改性[j].河北工业大学学报，2003.32（5）：17-22.
[2]郭军松.纳米生物活性陶瓷材料的制备以及电泳沉积生物陶瓷涂层的研究[m].郑州：郑州大学.2003：7-8.。
