种植体涂层-基体界面结合强度的测量方法

涂层-基体材料界面结合强度是评价涂层质量的关键指标,是保证涂层满足力学、物理、化学等使用性能的基本前提[1]。对于种植体来说,其表面性质往往是影响种植体与骨结合的重要因素,从而也成为种植体修复成败的关键[2]。而良好的界面结合强度可以保证其在口腔功能运动过程中能承受各个方向的力,而不致涂层脱落,但界面结合强度差,涂层在发挥作用前就发生剥脱等现象,就会导致种植体修复的失败。因此,良好的界面结合强度是种植体涂层发挥其作用的前提。表征和评价涂层-基体界面结合强度,通常采用以下两种不同的形式:(1)以能量或功的形式,把涂层从基体分离所做的功称为附着功。(2)以力的形式,把涂层从基体分离单位面积所需的最大的力称为涂层结合力。本文基于应力的观点对种植体涂层界面结合强度的测量方法的现状加以综述。

1 概述

Chalker等[3]指出,一种理想的界面结合强度测试方法应满足以下条件:(1)能使涂层脱离基体,并有良好的物理模型。(2)能够准确地测定有关力学参量,实验值对界面状态敏感和其他非界面因素如涂层、基体特性等无关。截至2002年,测量涂层-基体材料的界面结合性能方法多达200多种[4],但目前还没有一种标准的测试方法适合于各类涂层/基体材料体系。

2 种植体涂层-基体界面结合强度的测量方法

2.1拉伸法 拉伸法是目前被广泛采用的测量界面结合强度的方法,包括垂直拉伸法和水平拉伸法。

2.1.1 垂直拉伸法 垂直拉伸法又叫粘结拉伸法。其方法的原理是用某种粘结剂将涂层表面粘结在某一能够方便施加载荷的物体上,然后在该物体的一端施加拉伸载荷,当拉伸载荷超过涂层和基体的结合强度时,就会发生脱粘现象。拉开后应使用10×光学放大倍数检查,以确认失败发生在涂层内部而不是涂层-粘结剂接触面[5]。

粘结拉伸法测量界面结合强度方法的前提条件是粘结剂的粘结强度要大于涂层与基体材料的拉伸强度。根据现有粘结剂的粘结强度,涂层-基体界面结合远大于90MPa时,不宜采用粘结拉伸法。由于目前种植体涂层-基体界面结合强度绝大部分在90MPa以内,因此可以应用该方法。

关于种植体涂层-基体界面结合强度,目前可查阅到4个标准,分别是《国家医药标准YY O304-1998》[6]、《1992年FDA磷酸钙(Ca-P)涂层矫形种植体和骨内种植体申请认可指南》[7]、《国家标准GB20101,2-2008》[8](等同于《IS013779-2002》)以及《ISO 13779.2-2008》[9](表1),前两者针对的是牙种植体,后两者针对的是外科植人物。

基于上述的对比分析,1992年FDA标准高于YY0304-1998标准的可能原因主要是种植体用途不同,支抗种植体受力大,所需的涂层拉伸强度也相应提高。而《国家标准GB23101.2-2008》(《ISO 13779-2002》)、《ISO13779.2-2OO8》与《国家医药标准YY O304-1998》、1992年FDA标准相比规定的拉伸强度值下降的原因概括起来有以下2点:①应用范围更广泛,将范围从牙种植体扩大至外科植人物;②涂层结晶度的标准由不低于62%降低到不低于笱45%,结构稳定性标准降低,对涂层本身强度的要求有所下降。

目前除了Ca-P涂层(或HA涂层),其他种植体涂层材料与基体的界面结合强度还没有相关的国家标准及国际标准,一般参照上述Ca-P涂层(或HA)标准。Bai等[10]采用垂直拉伸法测得离子束溅射沉积法制各的Ca-P涂层与钛基体的界面结合强度为85.12MPa,远大于等离子喷涂法制备的Ca-P涂层(15Mh)。而Roy等[11]同样采用的是垂直拉伸法,测得激光熔覆法制各的单层的TCP涂层和多层的TCP涂层与钛基体的拉伸强度均大于5O MPa,在TCP涂层上用等离子喷涂制备HA涂层,测得TCP-HA复合涂层与钛基体的拉伸强度为21MPa,得出结论单层TCP涂层、多层TCP涂层和TCP-HA复合涂层结合强度都大于ISO13779.2标准15MPa,者阝具有较好的界面结合强度。

粘结拉伸法常用的仪器有Instron、Romulus材料实验机、LJ-3000A型拉伸机、XLL-5000全白动电子拉力机等。

粘结拉伸法的优点在于能够较准确和定量化地测量出界面结合的拉伸强度,而缺点是如果粘结剂的粘结强度小于涂层-基体的界面结合强度,就会导致实验的失败。粘结拉伸法是目前测量种植体涂层界面结合强度最常用的方法。

2.1.2 水平拉伸法 水平拉伸法又叫基本拉伸法。其原理是[12]:如果涂层与基体之间无结合力,涂层与基体在界面上的位移将是不同的;如果涂层与基体之间结合良好,那么涂层与基体在界面上的位移和应变也相同,但由于涂层和基体的弹性模量不同,界面上将产生剪切应力,如果界面上用以维持涂层-基体应变一致的剪切应力超过涂层与基体的结合强度,将会发生脱粘现象。郑小玲等[12]指出水平拉伸法仅适于测定弹性模量大于金属基体的脆性涂层。当涂层的变形能力大于金属的变形能力时,则无法测定涂层-金属基体界面的结合强度。庞迎春等[13]在测量环氧基涂层与纯钛基体的界面结合强度时,应用的是水平拉伸法。

2.2 划痕法 划痕法是目前使用十分广泛的一种半定量的测量硬质薄膜涂层-基体材料界面结合性能的方法,用临界载荷Lr来表示[14]。

2.2.1 原理及适用范围 临界载荷的测定是用一很小曲率半径、圆锥形端头的金刚石类硬质材料针,立在涂层表面,不断施加法向载荷与切向载荷,并同时使划针沿着涂层表面进行刻划,通过划伤涂层来测量其临界载荷即涂层-基体材料的界面结合强度。Bull等[l4]指出,划痕法主要应用于厚度在7um以下的硬质薄膜涂层,不能测量厚度大于50um的涂层的结合性能,因为该方法在涂层破裂前不可能产生足够大的界面应力场使得界面开裂。

划痕法也是目前测量种植体涂层-基体界面结合强度的常用方法。由于涂层制各技术的不断探索,许多方法制各出的涂层厚度在划痕法的适用范围内,以HA涂层为例见表2[15]。

可见,除了传统的热喷涂技术,其他涂层制各方法制各出的HA涂层的厚度均在划痕法适用范围内。

2.2.2  临界载荷Lc的确定方法 临界载荷Lc的确定方法主要有4种:显微镜法、电子探针法、声发射法、切向力法[16]。通常应用的是:①声发射法,原理:不同载荷作用下的声发射不同,压头将涂层划破或剥落时发出的声信号有突变:此时的垂直载荷即为临界载荷Lc。成炜等[17]就是采用声发射法测量纯钛种植体表面Ti02涂层(厚度均小于10 um)的界面结合强度,测得MAO-Ca组值为26.5N,MAO-Mg组为28.7N。Ll等[18]在测定纯钛基体上厚度为面结合强度时应用的也是是声发射法,测得955nm HA涂层及厚度为898nm含10%SrHA涂层的界面结合强度为分别为38.7N和80.2N。②切向力法,原理:当压头划针将涂层划破或使之脱落时,摩擦系数将发生较大变化,切向力由此发生变化,此时的载荷即为涂层的临界载荷Lc。Yen等[19]在比较HA单一涂层(涂层厚度3.5um)、HA/ZrO2复合涂层(涂层厚度4.5um)与钛合金的界面结合强度值时,应用切向力法,测得HA/ZrO2复合涂层界面结合强度(32N)与HA单一涂层界面结合强度(2N)相比有明显提高。Saju等[20]用切向力法测量厚度为4um的HA涂层与钛合金基体的界面结合强度为4N。

划痕法常用的仪器有WS—2005涂层附着力自动划痕仪、WS-2000自动划痕实验机、CSEM自动划痕仪、TEERST-200划痕仪等。

划痕法的优点是这种方法对试样的制作不需要严格的规范,操作起来十分方便,而缺点是导致涂层失效的模式很多,同一时刻可能存在多种失效模式,有拉伸、剪切、失稳、剥落等,给理论分析带来了很大难度,这也是划痕法一直没有一个明确标准的原因,因此划痕法还有很多工作值得去进一步研究。

2.3 剪切法这种方法常用于测量厚涂层与基体材料间的界面剪切性能。该法是将圆柱形试件不带涂层部分的半径制成接近于被固定的套筒的半径,凸出的涂层将在载荷的作用下被剪切掉。此种方法对于十分薄的涂层(纳米至十几微米)可能会无法实施。因为套筒与试件的加工误差可能会超过涂层的厚度范围,这个厚度的涂层可能不会被剪切到。而且剪切法会使靠近涂层自由界面的界面处存在应力集中。Ela等[21]采用剪切法评价热喷涂涂层的结合强度,并在试件的界面处预制了一个半圆形的凹槽以减少该处的应力集中。

对于种植体涂层来说,近年来学者都在不断探索使涂层变薄并维持其机械性能的方法,厚涂层逐渐被淘汰。因此,剪切法在种植体涂层-基体界面结合强度测量时并不常用。

2.4 弯曲法 这种方法实际上是测量涂层-基体材料的界面剪切强度。常采用悬臂梁弯曲、四点弯曲、三点弯曲。Jaroslaw等[22]研究SiO2和SiO2-TiO2作为中间涂层对界面结合强度影响时,就是采用三点弯曲法测其相应的界面结合强度值,得出SiO2和SiO2-TiO2作为中间涂层均可以提高涂层-基体的界面结合强度的结论。这种方法适用于结合强度较弱的各类涂层-基体材料。对于那些结合强度大于涂层本身的断裂强度的材料,该方法不适合。因为可能会出现界面还未开裂涂层本身就先开裂了,从而无法测量其界面的剪切强度。

目前种植体涂层—般脆性较大,因此测量种植体涂层-基体界面结合强度时很少采用弯曲法。

2.5  动态测量法 动态测量法主要包括以下方法[23]:①单摆划痕法、②重复划痕、③滚滑复合磨损实验、④滑动磨损实验、⑤滚动接触疲劳实验、⑥热疲劳实验。黄林国等[24]采用单摆划痕法从载荷与能量两个角度评价了涂层-基体的界面结合强度。Song等[25]采用滚动接触疲劳实验评价了CuCr合金涂层与⒏基体间的界面结合强度。因为涂层材料几乎都是在动态服役条件下使用的,其服役寿命显然与动态涂层-基体结合性能相联系,因此在动态条件下进行来评价涂层-基体界面的结合强度更具有实际的指导意义,也是近年来不断研究和探索的方向。

2.6  其他方法  除了以上方法外,还有胶带法、剥离法、激光法等,但这些方法由于存在许多限制,例如胶带法虽然操作简单,但只适用于涂层-基体界面结合强度非常低的情况;用于剥离法的试件不易制作,并且若涂层较薄,在残余应力作用下,很容易发生褶皱;激光法价格昂贵,操作复杂。因此测量种植体涂层界面结合强度时,应用的不是十分广泛。

3 结论  涂层-基体界面结合强度的测量方法有其各自的适用范围:①粘结拉伸法主要适用于界面结合强度不大于9O MPa的种植体涂层。②水平拉伸法主要适用于测定弹性模量大于金属基体的脆性薄膜涂层。③划痕法主要适用于厚度在7um以下的硬质薄膜涂层。④剪切法主要适用于测量厚涂层与基体材料间的界面剪切性能。⑤弯曲法适用于结合强度较弱的各类涂层-基体材料。上述方法中拉伸法和划痕法为种植体涂层-基体界面结合强度测量的常用方法,其中又以粘结拉伸法为首选方法。

以上所讨论的各种方法都有自身的局限性和不足之处,因此对于界面结合强度测量方法的研究还需要不断的深人与完善。