納米非晶金剛石薄膜與純鈦及鈷鉻合金表面結合強度的研究

［摘要］目的：研究納米非晶金剛石薄膜與純鈦及鈷鉻合金表面結合強度以及鍍膜厚度對結合強度的影響。方法：制備鈷鉻合金和純鈦圓片試件各20個，將純鈦與鈷鉻合金試件隨機分成a1、b1及a2、b2各兩組。a1、a2組試件表面鍍膜膜厚50nm；b1、b2組試件表面鍍膜膜厚100nm。采用薄膜結合強度測試儀測試鍍膜后試件的膜／基結合強度（Lc）。結果：a1、b1兩組以及a2、b2兩組Lc均存在顯著性差異（P＜0.05）；膜厚相同時，純鈦和鈷鉻合金試件Lc之間也存在顯著性差異（P＜0.05）。結論：納米非晶金剛石薄膜可以與純鈦及鈷鉻合金材料達到較好的結合；膜厚相同時，納米非晶金剛石薄膜與純鈦表面的結合強度優于鈷鉻合金；鍍膜厚度對納米非晶金剛石薄膜與純鈦及鈷鉻合金的結合強度有明顯影響，因此在鍍膜時應選擇適宜的膜厚。

［關鍵詞］納米材料；非晶金剛石薄膜；結合強度；純鈦；鈷鉻合金

[中圖分類號]R783[文獻標識碼]A [文章編號]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

納米非晶金剛石薄膜是將金剛石、類金剛石薄膜制備工藝與納米技術相結合的產物，是一種新型的功能薄膜材料。在納米非晶金剛石薄膜的應用中，首先要求薄膜與基體之間具有足夠的界面結合強度，這也是保證薄膜滿足力學、物理和化學等使用性能的基本前提。本實驗目的在于研究納米非晶金剛石薄膜與牙用純鈦及鈷鉻合金表面的結合強度以及鍍膜厚度對結合強度的影響，從而為納米非晶金剛石薄膜的實際應用提供科學的依據。

1材料和方法

1.1材料與儀器設備：JM-2型納米金剛石鍍膜機（西安百納科技有限公司生產）；薄膜結合強度測試儀，顯微鏡（西安輕工鐘表研究所）；純鈦棒材（陜西寶雞有色金屬總公司）；硬質鈷鉻合金錠（上海常平牙科材料有限公司）。

1.2 試件的制作：先將硬質鈷鉻合金錠鑄造成直徑20mm、長15cm的圓棒，隨后分別從已鑄造的鈷鉻合金圓棒和成品純鈦棒材上截取直徑15mm、厚度2mm的圓片各20個，表面用200＃，400＃，600＃，900＃，1000＃，1200＃金相砂紙逐級打磨、拋光、中性洗劑清洗脫脂，丙酮超聲清洗，干燥后備用。

1.3實驗分組：將純鈦試件隨機分成實驗組a1與 b1兩組，每組10個；鈷鉻合金試件也隨機分成實驗組a2與b2兩組，每組10個。

1.4試件的鍍膜處理：將各組試件固定于JM-2型納米金剛石鍍膜機內，試件首先進行鍍膜前極化預處理，隨后實驗組a1與a2的試件表面鍍膜8min（膜厚50nm），實驗組b1與b2的試件表面鍍膜15min（膜厚100nm），出爐后備用。

1.5實驗方法：按鍍膜結合強度測試標準GB/T8554-1997，用薄膜結合強度測試儀測試純鈦和鈷鉻合金試件的膜/基結合強度（120°錐角，SR0.2mm金剛石劃頭）。X100、X400顯微鏡觀察結果。

1.6數據統計：用SPSS統計軟件(SPSS10.0版本)對測試所得各試件的膜基臨界載荷Lc進行統計學分析(兩樣本t檢驗)。

2結果

純鈦和鈷鉻合金不同鍍膜厚度試件測試所得膜/基結合強度（膜基臨界載荷Lc）統計分析結果見表1。用SPSS統計軟件進行兩樣本t檢驗得：（1）實驗組a1與實驗組b1的膜基臨界載荷Lc之間存在顯著性差異（P＜0.05），實驗組a1的膜/基結合強度略高于實驗組b1；（2）實驗組a2與實驗組b2的膜基臨界載荷Lc之間存在顯著性差異（P＜0.05），實驗組a2的膜/基結合強度略高于實驗組b2；（3）膜層厚度相同時，純鈦和鈷鉻合金試件的膜基臨界載荷Lc之間存在顯著性差異（P＜0.05），純鈦試件的膜/基結合強度高于鈷鉻合金試件。

3討論

納米非晶金剛石薄膜是一種新型的類金剛石薄膜，目前已有多位國內學者將其應用于口腔義齒材料的表面改性處理［1-4］，實驗結果證明納米非晶金剛石薄膜在口腔醫學領域具有廣闊的應用前景。

納米非晶金剛石薄膜應用于口腔義齒材料的表面處理，其首要前提是薄膜與口腔義齒材料表面能夠形成很好的結合，否則薄膜容易在應用中產生裂紋、皺褶、甚至脫落。金剛石、類金剛石薄膜的膜/基結合強度是評價薄膜質量的關鍵指標［5］，目前有多種方法測量膜/基結合強度，例如劃痕法、直接拉伸法、刮削式測量法等，其中劃痕法應用較為普遍。劃痕法以膜/基臨界載荷（Lc）為測試參數，實驗條件簡單易行，可重復性強，對基底材料的性能、表面狀態、薄膜的性能等具有較高的敏感性，其測量結果可用于對薄膜結合強度的定性描述。

采用劃痕法做結合強度測試是在劃痕試驗機上進行。具體方法是用一個半球形剛性壓頭，在垂直載荷作用下，劃過鍍膜試樣表面，逐漸增加載荷，直至薄膜出現剝落，此時所加載的力的大小為膜/基臨界載荷（Lc）［6］，單位為力學單位牛頓（N）。在劃痕過程中，薄膜受壓應力作用開裂，界面剪切破壞，在摩擦作用下脫落，所以實驗結果反映的是界面剪切強度。

影響薄膜結合強度的因素有很多，內應力是決定薄膜穩定性和壽命的重要因素，內應力高的薄膜在應用中更容易產生裂紋、褶皺、甚至脫落，所以制備的薄膜最好具有適中的壓應力。分析表1的數據結果可知，無論是純鈦還是鈷鉻合金試樣，其鍍膜50nm厚度者的膜/基臨界載荷（Lc）均高于鍍膜100nm厚度者，兩者之間存在非常顯著的統計學差異（P＜0.05），該結果與鐘科等學者研究納米非晶金剛石薄膜與義齒基托樹脂材料結合強度所得結果相類似［1］。由此可見，相同材料的試件表面，由于鍍膜時間不同，所得薄膜厚度不同，其結合強度亦不同；這是因為薄膜的內部應力決定薄膜的穩定性和使用壽命，薄膜越厚，內應力越大，穩定性越差，膜/基結合強度越低，在劃痕試驗中，在較小的載荷下薄膜更容易發生剝脫［7］。

襯底材料性質也是影響薄膜結合強度的一個重要因素。分析表1的數據結果可以發現，在鍍膜厚度相同的情況下，純鈦表面鍍膜的膜/基臨界載荷（Lc）均高于鈷鉻合金，兩者之間存在非常顯著的統計學差異（P＜0.05）。我們知道，薄膜從基底上剝落，最常見的有兩種類型：一種是薄膜與基底結合不好，在薄膜與基底之間未形成過渡區，在受到較大外力時，薄膜很容易從基底上完全剝落；第二種類型是薄膜與基底之間己形成過渡區，有較高的結合強度，只在薄膜內應力過大的情況下，才會出現破損，導致脫膜。因此，薄膜與基底之間形成過渡區可以有效提高薄膜的結合強度，而這一點取決于襯底材料的性質。已有研究證實，鈦是一種強碳化物形成元素，用鈦金屬做襯底材料沉積金剛石薄膜時，在鈦金屬與金剛石薄膜之間可形成以TiC為主要成分的過渡層從而有效提高薄膜的結合強度［8］。

實驗研究表明：納米非晶金剛石薄膜可以與純鈦及鈷鉻合金材料達到較好的結合；鍍膜厚度相同時，納米非晶金剛石薄膜與純鈦表面的結合強度優于鈷鉻合金；此外，50nm厚度的鍍膜與純鈦及鈷鉻合金表面的結合強度大于100nm厚度者，因此，在純鈦及鈷鉻合金表面鍍制納米非晶金剛石薄膜應該選擇適宜的膜厚，并非是越厚越好。

[參考文獻]

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[2]李 斌，姚月玲，安銀東，等.納米非晶金剛石膜抗口腔白色念珠菌粘附作用的研究[J].中國美容醫學，2005，14(2)：203-204.

[3]孫 延，姚月玲，黎永鈞，等.納米非晶金剛石薄膜對樹脂人工牙耐磨性及其影響因素的實驗研究[J].中國美容醫學，2004，13(1)：60-62.

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[5]Kurt H，Stem．Metellurgical and Ceramic Protective Coating[M].London：Chaopman＆Hall，1996：306-333．

[6]侯晏紅，曹學亮，吳一平，等.Ti-Al-Ｎ系功能梯度薄膜結合強度的實驗研究[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]戴達煌，周克崧.金剛石薄膜沉積制備工藝與應用[M].北京:冶金工藝出版社，2001:28-30.

[收稿日期]2008-07-18[修回日期]2008-08-25

編輯/何志斌