[发明专利]碳/碳复合材料表面的氧化处理方法

说明书

技术领域

本发明属于碳/碳复合材料技术领域，具体涉及一种碳/碳复合材料表面的氧化处理方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料是生物材料的一种，具有优良的生物相容性，在生物体内稳定、不被腐蚀；良好的生物力学相容性，与骨的弹性模量十分接近；其强度高、耐疲劳、韧性好、密度小，具有一定的假塑性，微孔有利于组织生长，并可以通过结构设计，对材料性能进行调整以满足特定的力学要求等特点。乌克兰NSC KIPT(National Science Centre“Kharkov Institute of Physics and Technology”)研制的碳/碳复合材料人工骨在临床使用近十年以来，已取得了良好的治疗效果。然而，碳/碳复合材料为生物惰性材料，表面疏水，不具有传导或诱导骨组织再生功能；未经任何处理的碳/碳复合材料直接植入后在界面处会因摩擦产生一些碳碎片。为了使碳/碳复合材料具有一定的生物活性并减少碳碎片，必须对其进行表面改性，制备生物涂层。

目前，制备碳/碳复合材料生物涂层的技术有等离子喷涂、浸渍-焙烧、离子束溅射、激光熔覆、仿生方法、电沉积等。其中电沉积技术属非线性工艺，具有较多可控工艺参数来控制涂层的厚度、化学组成、结构和孔隙率，生产成本低，工艺简单、易于操作。但此技术所制备的生物涂层与基体的结合强度不高，限制其广泛的应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的结合强度不高的缺陷，本发明提出了一种碳/碳复合材料表面的氧化处理方法。

本发明的具体过程包括以下步骤：

步骤1，预处理碳/碳复合材料试样；取等温化学气相渗透法制成的碳/碳复合材料，将其加工成薄片后打磨平整。依次分别用自来水、丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗，空气中晾干。清洗时，超声波的频率均为25-60KHz，超声波的功率均为100W，清洗时间均为15-30min。

步骤2，碳/碳复合材料的氧化处理；以预处理后的碳/碳复合材料试样为阳极，以片状石墨电极为阴极，将碳/碳复合材料试样和片状石墨电极置于250-500ml电解液中，并且碳/碳复合材料试样和片状石墨电极之间的距离为15-45mm，碳/碳复合材料试样的底面距电解液容器底部的距离为40-60mm，片状石墨电极的底面距电解液容器底部的距离为30-50mm。采用阳极或超声辅助阳极氧化处理方法，对预处理后的碳/碳复合材料试样进行阳极氧化处理。对碳/碳复合材料氧化处理时的工艺参数为：电解液的温度为30-50℃，氧化处理时间为20-30min，电流密度为25-50mA/cm²。当采用超声辅助阳极氧化方法时，所使用的超声波频率为25-60KH_Z，超声波的功率为100W。得到氧化处理碳/碳复合材料试样。

步骤3，清洗；用蒸馏水对经氧化处理后的碳/碳复合材料试样冲洗3次；空气中晾干。

所述的电解液为0.5-1.0mol/L磷酸水溶液。

氧化处理的工艺流程如图1所示。

未经氧化处理时的碳/碳复合材料表面的静态接触角照片如图2所示，经实施例一的超声阳极氧化处理后碳/碳复合材料表面的静态接触角照片如图3所示。经本发明氧化处理后，碳/碳复合材料表面润湿角比未处理时降低了73-87％，由疏水变为亲水，并且提高了碳/碳复合材料的表面能。这些结果表明本发明在碳/碳复合材料表面接枝了化学官能团。经XPS测试分析，确定处理后的碳/碳复合材料表面接枝了含磷、含氧官能团，碳/碳表面的O/C原子百分比由处理前的0.1120提高到处理后的0.3181-0.3867，处理后碳/碳表面的P/C原子百分比为0.05-0.07。所接枝的含磷、含氧官能团有利于与后续制备的生物涂层形成化学键合，提高涂层与基体的结合强度。以本发明超声阳极氧化处理的碳/碳复合材料为制备磷酸钙生物涂层基体，与超声电沉积涂层的结合强度最高达到12.14±1.30MPa，是未处理碳/碳复合材料为基体的涂层结合强度(6.78±1.06MPa)的2倍左右。而且本发明的碳/碳复合材料的氧化处理方法快速、成本较低、操作简单。本发明的氧化处理方法亦可用于仿生方法、等离子喷涂等制备碳/碳复合材料生物涂层之前的碳/碳复合材料预处理。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是水滴在未经氧化处理时的碳/碳复合材料表面的静态接触角；

图3是实施例一的水滴在氧化处理后碳/碳复合材料表面的静态接触角。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种碳/碳复合材料表面的氧化处理方法，其具体过程为：