氧化鋯增強(qiáng)HA生物陶瓷涂層摩擦磨損性能研究.pdf

1、磨損是人工關(guān)節(jié)失效的主要原因之一，而人工關(guān)節(jié)再次置換所需的手術(shù)費(fèi)和失敗率高，給病人帶來巨大的身心傷害和經(jīng)濟(jì)損失。羥基磷灰石陶瓷(HA)具有良好的生物活性和生物相容性，是人工植入體的理想材料，然而，純的HA涂層脆性大、強(qiáng)度低、耐磨性較差，難于達(dá)到人體承重部位所需的力學(xué)要求，限制了其在人體承重部位的應(yīng)用。因此，改善HA涂層材料性能，增加其耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度，延長使用壽命，是硬組織植入材料今后發(fā)展的一個重要方向。
　　本文利用等離子噴涂技

2、術(shù)在鈦合金基體制備不同氧化鋯（ZrO2）含量(0wt.％、15wt.％和30wt.％)的HA/ZrO2復(fù)合陶瓷涂層（分別標(biāo)號為HA0、HA15和HA30），研究了增強(qiáng)相氧化鋯含量對涂層物相成分、微觀組織、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度以及拉伸斷裂機(jī)制等性能表征的影響;利用銷盤磨損試驗(yàn)機(jī)研究了不同ZrO2含量的HA/ZrO2復(fù)合涂層在干摩擦和牛血清潤滑環(huán)境下的摩擦磨損性能;研究了在牛血清環(huán)境下載荷和轉(zhuǎn)速對HA30涂層摩擦性能和磨損機(jī)理的影響，利用St

3、ribeck曲線研究了HA30涂層在牛血清和水環(huán)境下的潤滑機(jī)理。本文的主要工作和成果如下:
　　(1)HA0涂層表面粒子鋪展良好，但也存在一些孔洞和未熔顆粒。HA15和HA30涂層表面都出現(xiàn)了針片狀晶粒，凝固鑲嵌在涂層表面，使涂層表面孔隙數(shù)量減小，表面更加均勻。各涂層試樣的截面微觀形貌呈現(xiàn)明顯的層片狀結(jié)構(gòu)，都存在著不同數(shù)量孔洞和凹坑。另外，HA30陶瓷涂層與中間ZrO2過渡層的結(jié)合界限不是特別明顯，兩者之間的微觀組織較為緊密;中間

4、ZrO2過渡層能夠與鈦合金基體的結(jié)合界面呈現(xiàn)犬牙交錯的形貌，實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械咬合。
　　(2)從HA0、HA15和HA30涂層物相分析來看，各涂層都存在少量α-TCP和β-TCP。其中，HA0涂層的主要物相以HA為主，而HA15和HA30涂層中的ZrO2以立方相形式存在，且ZrO2的衍射峰強(qiáng)度高于HA。隨著ZrO2含量增大，復(fù)合涂層的孔隙率呈遞減趨勢，顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度呈遞增趨勢，HA0、HA15和HA30涂層的孔隙率分別為12.2

5、％、9.9％和8.5％;其顯微硬度分別為347.5HV0.1、527.1HV0.1和544.2HV0.1;結(jié)合強(qiáng)度分別為16.50MPa、22.84MPa和27.56MPa。涂層拉伸斷口微觀形貌主要由光滑區(qū)域和階梯狀區(qū)域組成。隨著ZrO2含量的增大，光滑區(qū)域面積在拉伸斷口面積中所占比重越大。
　　(3)無論是在牛血清還是在干摩擦情況下，HA30和HA15涂層都比純的HA涂層表現(xiàn)出更低的磨損率和摩擦系數(shù)。在牛血清潤滑環(huán)境下，HA0涂

6、層的磨損機(jī)理以犁溝效應(yīng)和磨粒磨損為主，而HA15和HA30涂層的磨損機(jī)理為微觀剝落磨損。各涂層試樣磨損之后的表面粗糙度小于磨損之前的表面粗糙度，并且在牛血清中磨損之后的表面粗糙度小于在干摩擦磨損之后的表面粗糙度。
　　(4)在牛血清環(huán)境下，載荷對HA30涂層的摩擦系數(shù)和磨損率影響較大，HA30涂層的磨損率和摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而增大。HA30涂層在40N載荷下的磨損表面微觀形貌較為粗糙，缺少一定的光澤感，表面微裂紋較少;在載荷為

7、80N和120N時，涂層磨損表面較為致密光滑，表面微裂紋較多。HA30涂層在低載荷下的磨損機(jī)理為微觀剝落，當(dāng)載荷進(jìn)一步提高時，其磨損機(jī)理轉(zhuǎn)化為脆性斷裂引起的剝落磨損。
　　(5)在牛血清環(huán)境下，HA30涂層的摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸遞減。磨損率則先隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，而后隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，具體來說，50～90r/min范圍內(nèi)，磨損率隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，在90～150r/min范圍內(nèi)，則隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時

8、，HA30涂層與ZrO2陶瓷銷之間的潤滑膜厚度較小并且不連續(xù)，摩擦副的微凸體對涂層表面產(chǎn)生明顯的剪切應(yīng)力，使大塊扁平粒子發(fā)生脆性斷裂而失效剝落，使涂層的磨損率較大。隨著轉(zhuǎn)速的增大，牛血清的承載能力增強(qiáng)，潤滑膜厚度加大，磨損率相應(yīng)減小，然而，過高的轉(zhuǎn)速使磨屑顆粒的動能增大，對涂層表面產(chǎn)生較大的沖擊磨損，使涂層的磨損率增大。
　　(6)HA30涂層在水潤滑環(huán)境下的摩擦系數(shù)約為0.456左右，相應(yīng)的Stribreck曲線未出現(xiàn)了混合潤滑