Struktura i właściwości warstw węglowych na polietero-eteroketonie wytwarzanych metodą RF-CVD

• Autorzy: Rajchel B. , Tarnowski M. , Kwiatkowska J. , Borowski T. , Wierzchoń T.

Warianty tytułu

EN

Structure and properties of carbon coatings formed by the RF-CVD technique on the polyetheretherketone substrate

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Warstwy węglowe zarówno na materiałach metalicznych, jak również na polimerowych, np. polietero-eteroketonie, znajdują coraz szersze zastosowanie w medycynie, szczególnie w wytwarzaniu implantów kardiologicznych, bowiem ograniczają wykrzepianie krwi. W przypadku materiałów polimerowych jest istotna przyczepność i odporność na zużycie przez tarcie wytwarzanych powłok węglowych, na co w znaczący sposób wpływa ich struktura i stan naprężeń własnych. Własności mechaniczne powłoki a-C-N:H zależą między innymi od koncentracji węgla, azotu oraz wodoru, a także od koncentracji wiązań sp3/sp2 i naprężeń w powłoce. Spektroskopia ramanowska zastosowana do analizy struktur węglowych oraz CNX daje możliwość określenia zarówno typu wiązań pomiędzy atomami węgla lub atomami azotu i węgla, jak i ich względnej koncentracji. Widma ramanowskie uzyskane dla struktur węglowych i CNX wzbudzonych wiązką światła widzialnego zawierają dwa piki oznaczane jako G oraz D. Pik G jest związany bezpośrednio z wiązaniami sp2, natomiast pik D jest pośrednio związany z wiązaniami sp3. Położenia, względne intensywności oraz półszerokości tych pików zależą od koncentracji wiązań sp3/sp2 [1], a także od naprężeń w badanych strukturach [2]. W artykule przedstawiono wyniki badań struktury wytwarzanych warstw węglowych uzyskane z użyciem mikrospektroskopii Ramana, topografii powierzchni (AFM, SEM) na polietero-eteroketonie oraz stanu naprężeń własnych w powłokach węglowych.

EN

Carbon layers formed on metallic materials as well as on polymers (e.g. polietheretheroketone or UHMWPE polyethylene) are often used in medicine. In particular they are applied in preparation of cardiology implants because they can reduce blood clotting. In the case of carbon coatings, formed on the polymeric surface, adhesion and wear resistance to friction are especially important. The adhesion and the wear resistance of coatings are determined by their structure and the state of internal stresses. Mechanical properties of the a-C:N:H coating depend inter alia on the concentration of carbon, nitrogen and hydrogen as well as the relative concentration of sp3 and sp2 bonds, and stresses in the coating. Determination of the character of bonds between carbon atoms and between nitrogen and carbon atoms is possible by using the Raman spectroscopy. All Raman spectra, collected for carbon or CNX structures, contain two Raman peaks. The so called G peak (observed at ~1580 cm–1) which is directly related to the sp2 carbon bonds and D peak (observed at the ~1340 cm–1), indirectly related to the sp3 bonds. Position, intensity, and width (FWHM) of both peaks can provide information about the sp3/sp2 ratio of the chemical bonds [1] and on the presence of internal stresses [2] in the coating. This paper presents the structure and properties of a-C:N:H coating, formed by the RF-CVD method on the PEEK substrate. The surface topography was studied using AFM and SEM microscopy. The relative concentration of sp3 and sp2 bonds and the state of internal stresses were studied using the confocal Raman microspectroscopy. The adhesion of a-C:N:H coating to the substrate was measured by the scratch test technique.

Słowa kluczowe

PL

powłoka węglowa; spektroskopia ramanowska; naprężenia

EN

carbon coating; Raman spectroscopy; stress

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 810--813
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rajchel B.

• Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie

autor

Tarnowski M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Kwiatkowska J.

• Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie

autor

Borowski T.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Wierzchoń T.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Ramakrishna S., Mayer J., Wintermantel E., Leong K. W.: Biomedical application of polymer-composite materials: A review. Composite Science and Technology 61 (2001) 1189÷1224.
• [2] Kurtz S. M, Devine J. N.: PEEK biomaterials in trauma, orthopaedic, and spinel implants. Biomaterials 28 (2007) 485÷489.
• [3] Robertson J.: Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering R37 (2002) 129÷281.
• [4] Dearnalay G., Arps J. H.: Biomedical applications of diamond-like carbon (DLC) coatings. A review. Surface and Coatings Technology 200 (2005) 2518÷2524.
• [5] Hauert R.: A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials 12 (2003) 583÷589.
• [6] Grill A.: Diamond-like carbon coating as biocompatible materials – an overview. Diamond and Related Materials 12 (2003) 166÷170.
• [7] Panwar O. S., Khan M. A., Kumar S. et al.: Effect of high substrate bias and hydrogen and nitrogen incorporation on spectroscopic ellipsometric and atomic force microscopic studies of tetrahedral amorphous carbon films. Surface and Coatings Technology 205 (2010) 2126÷2133.
• [8] Chu P. K., Li L.: Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films. Materials Chemistry and Physics 96 (2006) 253÷277.
• [9] Ferrari A. C., Rodil S. E., Robertson J.: Interpretation of infrared and Raman spectra of amorphous carbon nitrides. Phys. Rev. B 67 (2003) 155306.
• [10] Hai-Yang D., Li-Wu W., Hui J., Ning-Kang H.: A new empirical model for estimation of sp3 fraction in diamond like carbon films. Chin. Phs. Lett. 24 (2007) 2122÷2124.
• [11] Krawietz R., Kempfe B., Auerswald E., Brucher M.: Raman spectroscopic and X-ray investigations of stressed states in diamond-like carbon films. Cryst. Res. Technol. 40 (2005) 143÷148.
• [12] Liu E., Li L., Blanpain B., Celis J. P.: Residual stresses of diamond and diamondlike carbon films. J. Appl. Phys. 98 (2005) 073515-1÷073515-5.