高能離子注入U(xiǎn)HMWPE的表面改性及不同摩擦體系下的摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、超高分子聚乙烯(UHMWPE)具有高的抗沖擊性、耐磨性、自潤滑性以及優(yōu)異的生物相容性，廣泛地應(yīng)用于航空、機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，目前已作為人工關(guān)節(jié)的主要材料之一。然而，大量的實(shí)驗(yàn)和臨床醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，隨著置換關(guān)節(jié)使用年限的增長，人工關(guān)節(jié)長期摩擦磨損產(chǎn)生的磨屑(主要為UHMWPE)誘發(fā)機(jī)體細(xì)胞產(chǎn)生一系列不良生物學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)松動(dòng)而過早的失效。近年來，改善UHMWPE摩擦學(xué)性備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。本文主要以UHMWPE為研究對象，采用高

2、能離子注入技術(shù)進(jìn)行對UHMWPE表面改性，同時(shí)間接地改善摩擦副Ti6Al4V性能，研究不同摩擦體系下的摩擦磨損性能，為拓展應(yīng)用領(lǐng)域提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討延長人工關(guān)節(jié)壽命的可能性。這是一項(xiàng)非常有意義的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作。 本文主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1)采用高能離子注入技術(shù)對UHMWPE進(jìn)行不同劑量的Ar+注入。采用OM、AFM、FTIR、顯微硬度和納米壓入儀及球坑儀觀察、測定和分析改性后試樣表面形貌、粗糙度、分子結(jié)構(gòu)、表面顯微硬度、彈性模量和

3、抗磨損性能。2)偶件Ti6Al4V表面處理(低溫氧化處理和物理氣相沉積CrN涂層，并分析、測定處理后試樣表面基本特性、相結(jié)構(gòu)、表面顯微硬度和抗磨損性能。3)采用盤-銷磨損機(jī)研究未處理UHMWPE在不同摩擦副下的摩擦磨損行為及磨損機(jī)理；研究Ti6Al4V表面處理(低溫氧化和物理氣相沉積CrN涂層)對UHMWPE磨損性能的影響及磨損機(jī)理；研究Ar+注入在不同摩擦副下對UHMWPE摩擦磨損性能的影響及磨損機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

4、 (1)UHMWPE經(jīng)Ar+注入改性后，表面顏色、形貌和粗糙度發(fā)生了變化。隨注入劑量的增加，顏色由原來的乳白色而依次變成淺黃色、黃褐色和深褐色；光滑的表面呈現(xiàn)出“浮凸”形貌；粗糙度亦隨之依次增大，分別為16.9μm，19.8μm和38μm。表面分子結(jié)構(gòu)亦發(fā)生了變化，Ar+注入過程中，高能離子與母相原子的相互作用，以及與氧形成羥基和羰基。同時(shí)，分子鏈間形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效地提高了UHMWPE的表面顯微硬度、彈性模量和抗磨損性能，并且呈

5、現(xiàn)出良好的韌性。 (2)Ti6Al4V經(jīng)低溫氧化處理后，表面形成了一層以金紅石型TiO2為主的氧化層，均勻致密，呈黃褐色條紋狀。氧化表面的顏色、粗糙度發(fā)生了變化。PVD CrN涂層亦均勻致密，涂層厚度約為2.15μm。兩種表面處理均有效地強(qiáng)化了Ti6A14V表面。氧化后。Ti6A14V與Cr12MoV配副時(shí)，其磨損量僅為未處理試樣的1.52％。 (3)UHMWPE與316L不銹鋼配副時(shí)，其磨損率隨表面粗糙度增加、或載荷的增加而增

6、加，尤其是機(jī)加工表面和高載荷的情況。低溫離了氮化316L不銹鋼可降低了UHMWPE的磨損率，但因表面粗糙度增加導(dǎo)致摩擦系數(shù)略有上升。UHMWPE磨損機(jī)制為兩體磨粒磨損并伴有一定程度的塑性變形。 (4)UHMWPE與Ti6A14V配副時(shí)，UHMWPE出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。這可能是由于鈦合金表面的“氫脆”化學(xué)磨損而導(dǎo)致鈦合金嚴(yán)重磨損所引起的。UHMWPE磨損機(jī)制主要為三體磨粒磨損，并伴有少量的塑性變形。 (5)表面改性后Ti6A14

7、V能使與之對磨的UHMWPE的磨損量顯著減小。低溫氧化處理和PVD試樣分別為與未處理試樣對磨時(shí)UHMWPE磨損量的32.4％、35.5％。這主要得益于表面處理后生成的TiO2陶瓷氧化層和CrN涂層有效地抑制“氫脆”的化學(xué)磨損。故UHMWPE磨損機(jī)理以兩體磨粒磨損為主，伴有輕微的塑性變形。 (6)Art注入有效地改善了UHMWPE磨損性能。在與低溫離子氮化316L不銹鋼配副時(shí)，離子注入試樣的磨損量低于未處理的試樣，且降低的程度隨劑