论文部分内容阅读
磨损是影响人工关节使用寿命的主要原因之一,除材料本身特性外,润滑剂的润滑性能也有着极其重要的作用。羟基磷灰石(HA)由于良好的生物相容性和生物活性,其复合生物陶瓷涂层同样具备类似性能,因而在人工关节领域应用前景广阔。然而涂层本身也有明显的缺陷,如耐磨性差、脆性大等,因此采用混入ZrO2粉末制成HA/ZrO2复合涂层来改善HA涂层材料摩擦学性能以延长人工关节的使用寿命。表面织构是一种改善表面性能的工艺技术,应用于材料表面能够有效的提高表面性能,这一点已被大量研究所证明,因此被广泛应用于轴承、机械密封等工程领域。润滑性能与本身的润湿性能紧密相关,润湿性能越好,其润滑性能更佳,而材料表面接触角的大小直接反映材料的润湿性能,因此,接触角的大小也能间接体现润滑性能的优劣。透明质酸钠是人体滑液的主要成分之一,牛血清主要成分与人体血液中的各类蛋白接近,因此本文采用透明质酸钠与牛血清作为润滑剂,在浸润模型的基础上,设计等边三角形不同间径比和深度两个参数,通过接触角实验验证两个因素对接触角的影响是否与理论保持一致,并对比两种润滑剂的优劣。此外为探究织构在生物陶瓷材料领域的应用效果,本文基于确定性模型建立了织构表面在混合润滑状态下的理论模型,通过Matlab软件,采用有限差分法对方程进行离散,并结合数值迭代求解混合润滑模型,得到计算域内的压力分布和织构表面的理论摩擦系数,并以此作为织构表面摩擦磨损性能的判断标准,指导后续摩擦磨损试验。在此基础上,本文采用飞秒激光加工工艺在氧化锆增强HA生物陶瓷涂层表面加工出不同织构间径比、不同深度的等边三角形织构阵列,基于UMT-3试验机进行摩擦磨损试验,通过三维轮廓仪表征涂层的磨损深度,探究耐磨性较好的涂层织构设计参数。本文主要研究结论如下:(1)透明质酸钠在HA/ZrO2复合陶瓷涂层表面的润湿性优于牛血清溶液,并且随着织构深度的增大,两种溶液的接触角均逐渐变小。(2)混合润滑状态下,理论摩擦系数随织构深度先升后降,均在深度为70μm发生改变;而随着织构间径比的增大,摩擦系数逐渐增大。但在所有的织构试样中,织构间径比为3的试样组在各深度下均取得较小摩擦系数,深度为90μm的试样取得最小值,为0.071,这与接触角的最佳织构表面的参数相同,验证了接触角越小,其润滑性更好这一说法的合理性。(3)在0.5%透明质酸钠润滑条件下,通过往复摩擦磨损试验,研究了不同间径比、不同深度的等边三角形织构的摩擦磨损性能。结果表明织构间径比为3和5,深度为90μm的摩擦系数最低,分别为0.203、0.194,但间径比为5的试样磨损深度最小。此外,不同深度织构试样摩擦系数与模拟结果类似,大体上呈现先升后降的趋势,但相比之下,鉴于实际工况复杂多变,试验所得摩擦系数远大于模拟结果。本文结合接触角理论设计一定参数的织构表面,通过接触角实验比较了两种润滑液的润湿性能,并用较优的润滑剂进行了摩擦磨损试验,探究了不同织构参数对涂层表面摩擦系数的影响,为人工关节润滑剂的选择以及表面织构技术在生物陶瓷涂层领域的应用提供一定参考。