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具有表面织构的超高分子量聚乙烯摩擦学性能的研究

作　者: 张博
导　师: 王晓雷
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 表面织构超高分子量聚乙烯摩擦学性能人工关节材料水润滑
分类号: O313.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为人工关节材料,被应用于临床医学已经有40多年的历史。该材料具有优越的生物相容性、极高的化学稳定性、较低的摩擦因数以及优良的抗冲击载荷性能。但是随着使用时间的增长,超高分子量聚乙烯仍然存在诸多摩擦、磨损方面的问题。首先相对于天然关节,超高分子量聚乙烯的摩擦因数仍然较大,远高于天然活体关节的摩擦因数(0.005)。其次,由磨损产生的超高分子量聚乙烯磨屑所造成假体周围骨质溶解和无菌松动是人工关节失效的主要形式。因此改善UHMWPE摩擦学性能的研究就显得十分重要。本文采用微细加工技术,在UHMWPE表面加工了微小凹坑阵列,制备出不同面积率、不同深度以及不同直径的72种表面织构;并对UHMWPE的相关机械物理性能,如吸水性、表面接触角和硬度等进行了测试;最后在MMW-1A型万能摩擦磨损试验机上对具有不同特征参数表面织构的UHMWPE摩擦学性能进行了研究,分析了不同特征参数的表面织构对UHMWPE摩擦学性能的影响,并对具有表面织构的UHMWPE的特征参数进行了优化,初步探讨了具有表面织构的UHMWPE的润滑机理以及磨损机理。本文获得的主要工作及结论如下:一、考察了UHMWPE制备工艺对其机械物理特性的影响,并初步研究了不同特征参数的表面织构对UHMWPE表面浸润性的影响。二、研究了具有表面织构的UHMWPE材料/316不锈钢的摩擦性能,并与光滑表面的UHMWPE材料/316不锈钢的摩擦性能作了对比,同时对具有表面织构的UHMWPE的特征参数进行了优化。结果表明:表面织构的存在,具有优异的减摩效果。并且当载荷为100N时,凹坑直径d=50μm、深度10μm、面积率r=22.9%的表面织构表现出最佳的减摩效果,相比光滑表面的UHMWPE,不同转速下摩擦因数降低72.8%~85.7%;当载荷为700N时,凹坑直径d=50μm、深度15μm、面积率r=29.9%的表面织构表现出最佳的减摩效果,相比光滑表面的UHMWPE,不同转速下摩擦因数降低66.7%~80.3%。三、直径50μm、深度15μm、面积率29.9%的表面织构表现出最佳的降低磨损的效果,相比光滑表面UHMWPE磨损体积降低了64.5%。相比光滑表面的UHMWPE试样的磨损机理以磨粒磨损、粘着磨损为主,并伴随着疲劳磨损,直径50μm、深度15μm、面积率29.9%的具有表面织构的UHMWPE试样的磨损机理以磨粒磨损为主。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-15
第一章绪论  15-29
  1.1 引言  15
  1.2 生物摩擦学  15-19
    1.2.1 天然关节的结构与润滑机理  16-17
    1.2.2 人工关节的发展  17-19
  1.3 超高分子量聚乙烯摩擦学性能改性研究  19-22
    1.3.1 离子注入改性超高分子量聚乙烯  19-20
    1.3.2 填充改性超高分子量聚乙烯  20
    1.3.3 其他改性方法  20-21
    1.3.4 多孔结构以及表面纹理改善UHMWPE  21-22
  1.4 表面织构  22-26
    1.4.1 表面织构技术改善摩擦副表面摩擦学性能的研究和应用现状  23-26
    1.4.2 表面织构技术改善摩擦副表面摩擦学性能的机理  26
  1.5 课题的来源及意义  26-27
  1.6 本文的主要研究内容和主线  27-29
    1.6.1 本文的主要研究内容  27
    1.6.2 本文的主线  27-29
第二章实验设计和材料制备  29-47
  2.1 试样的材料选择  29-30
    2.1.1 上试样材料的选择  29
    2.1.2 下试样材料的选择  29-30
  2.2 UHMWPE 的摩擦评价实验方案设计  30-33
    2.2.1 实验设备  30-32
    2.2.2 试样以及夹具的设计  32-33
    2.2.3 摩擦实验的环境条件及实验参数  33
  2.3 UHMWPE 表面织构的设计和制造  33-45
    2.3.1 UHMWPE 表面织构的设计  33-34
    2.3.2 UHMWPE 表面织构的制造  34-45
      2.3.2.1 试样制备总体流程  34-35
      2.3.2.2 光刻前的前期处理  35-36
      2.3.2.3 光刻  36-38
      2.3.2.4 电铸  38-43
      2.3.2.5 热压成型  43-44
      2.3.2.6 后续处理  44-45
  2.4 上试样的制备  45-46
  2.5 本章小结  46-47
第三章 UHMWPE 材料的性能测试  47-57
  3.1 UHMWPE 吸水性的测定  47-48
    3.1.1 UHMWPE 吸水性试验测定方法  47
    3.1.2 UHMWPE 吸水性试验结果分析  47-48
  3.2 UHMWPE 表面浸润性的测定  48-54
    3.2.1 表面浸润性理论  48-49
    3.2.2 UHMWPE 接触角试验及结果  49-50
    3.2.3 UHMWPE 接触角试验结果分析  50-54
  3.3 UHMWPE 硬度的测定  54-56
    3.3.1 塑料洛氏硬度的测定方法  55
    3.3.2 塑料洛氏硬度的结果分析  55-56
  3.4 本章小结  56-57
第四章水润滑下具有表面织构的UHMWPE 摩擦性能研究  57-95
  4.1 测量阶段的确定  57-58
  4.2 光滑表面的UHMWPE 材料水润滑摩擦性能  58-61
    4.2.1 转速对光滑表面的UHMWPE 材料水润滑摩擦性能的影响  58-60
    4.2.2 载荷对光滑表面的UHMWPE 材料水润滑摩擦性能的影响  60-61
  4.3 具有表面织构的UHMWPE 材料的水润滑摩擦性能  61-94
    4.3.1 表面织构凹坑面积率对UHMWPE 材料水润滑摩擦性能的影响  61-75
    4.3.2 表面织构凹坑深度对UHMWPE 材料水润滑摩擦性能的影响  75-83
    4.3.3 表面织构凹坑直径对UHMWPE 材料水润滑摩擦性能的影响  83-86
    4.3.4 表面织构特征参数对UHMWPE 材料水润滑摩擦性能的综合影响  86-94
  4.4 本章小结  94-95
第五章水润滑下具有表面织构的UHMWPE 磨损性能研究  95-103
  5.1 表面织构对UHMWPE 材料水润滑磨损性能的影响  95-98
    5.1.1 表面织构凹坑面积率对UHMWPE 材料水润滑磨损性能的影响  96
    5.1.2 表面织构凹坑深度对UHMWPE 材料水润滑磨损性能的影响  96-97
    5.1.3 表面织构凹坑直径对UHMWPE 材料水润滑磨损性能的影响  97-98
  5.2 UHMWPE 磨损机理的分析  98-101
    5.2.1 光滑表面UHMWPE 材料水润滑磨损机理的分析  99-100
    5.2.2 表面织构UHMWPE 材料水润滑磨损机理的分析  100-101
  5.3 本章小结  101-103
第六章总结与展望  103-105
  6.1 本文的主要工作及结论  103-104
  6.2 展望  104-105
参考文献  105-109
致谢  109-110
在学期间的研究成果及发表的学术论文  110

具有表面织构的超高分子量聚乙烯摩擦学性能的研究

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