DLC薄膜改性鈦合金的生物摩擦學研究.pdf

1、隨著醫(yī)用人體植入材料的迅速發(fā)展，人工關節(jié)置換技術逐漸成為恢復患者關節(jié)功能和解除患者痛苦的重要醫(yī)療手段。迄今為止，對人工關節(jié)的研究主要集中在髖、膝關節(jié)，頸椎關節(jié)的研究文獻和數(shù)據(jù)較少，更缺少對其生物摩擦學行為和磨損機理的系統(tǒng)研究。隨著頸椎病發(fā)病群體的日益年輕化，對人工頸椎間盤的使用壽命提出了更高的要求，因此，本文模擬人工頸椎間盤的屈/伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)運動，系統(tǒng)的研究了人工頸椎間盤材料在不同運動形式下的生物摩擦學行為，探索不同運動形式間的交

2、互作用機理，因此其研究具有重要的理論研究意義。本文采用非平衡磁控濺射與離子注入耦合技術，在Ti6Al4V合金基體表面沉積含氫類金剛石碳膜（DLC薄膜），對DLC薄膜的硬度、結構、形貌、潤濕性等基本性能進行表征，利用多自由度材料磨損試驗機對DLC薄膜在多種運動模式下的生物摩擦性能進行研究，并且結合有限元仿真模擬分析了DLC薄膜的力學行為及磨損機理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用高溫熱壓成型方法制備超高分子量聚乙烯（UHMWPE）球

3、冠，陽極型離子源結合非平衡磁控濺射復合技術與離子注入耦合的方法在 Ti6Al4V合金表面沉積DLC薄膜。通過拉曼光譜和X射線光電子能譜分析薄膜特性，薄膜呈現(xiàn)出典型的類金剛石薄膜特征，DLC改性后的Ti6Al4V合金表面粗糙度從0.40μm降低到0.28μm，表面硬度提高了129％，表面接觸角為37.41°，在小牛血清溶液中具有較好的浸潤性。DLC薄膜與基體表面結合緊密，厚度均勻，達到2μm，未見明顯的裂紋。⑵模擬人工頸椎間盤的屈/伸和側(cè)

4、彎運動，開展擺動摩擦學試驗，隨著軸向載荷及擺動角位移的增加，DLC薄膜的摩擦系數(shù)逐漸增大，UHMWPE的磨損量及磨損表面的粗糙度也隨之增加，與未改性的Ti6Al4V合金相比，DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金具有更好的耐磨性，接觸界面間摩擦力降低了77.6%，磨損量降低了11.2%。未改性Ti6Al4V合金的磨損機制以嚴重的磨粒磨損為主，經(jīng)DLC薄膜改性后的鈦合金的磨損形式以磨粒磨損和粘著磨損為主，大載荷、大角位移條件下，DLC薄膜局

5、部區(qū)域發(fā)生應力脆斷，發(fā)生脆性剝落。⑶模擬頸椎間盤的軸向旋轉(zhuǎn)運動，開展轉(zhuǎn)動摩擦學試驗，隨著軸向載荷、轉(zhuǎn)動角位移的增大，摩擦扭轉(zhuǎn)力矩、摩擦耗散能、磨損量均呈現(xiàn)出增大的趨勢。與未改性的Ti6Al4V合金相比，DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金具有更好的耐磨性，進入完全滑移狀態(tài)的時間縮短，接觸界面間摩擦扭轉(zhuǎn)力矩顯著降低。未改性Ti6Al4V合金的磨損機制表現(xiàn)為嚴重的磨粒磨損，經(jīng) DLC薄膜改性后的鈦合金的磨損形式以應力集中產(chǎn)生的脆性剝落為主。

6、DLC薄膜增大了對磨副UHMWPE的磨損，UHMWPE的磨損機制是粘著磨損和磨粒磨損綜合作用的結果。⑷與Ti6Al4V合金的擺-轉(zhuǎn)復合摩擦對比，擺動摩擦系數(shù)低于復合摩擦系數(shù)，轉(zhuǎn)動摩擦扭轉(zhuǎn)力矩大于復合摩擦扭轉(zhuǎn)力矩；不同摩擦狀態(tài)下對磨副UHMWPE的磨損量呈現(xiàn)出擺動>復合>轉(zhuǎn)動的趨勢；擺動和轉(zhuǎn)動表現(xiàn)為相互制約的關系。與DLC薄膜改性后Ti6Al4V合金的擺-轉(zhuǎn)復合摩擦對比，擺動摩擦系數(shù)低于復合摩擦系數(shù)，轉(zhuǎn)動摩擦扭轉(zhuǎn)力矩大于復合摩擦扭轉(zhuǎn)力矩；

7、不同摩擦狀態(tài)下對磨副UHMWPE的磨損量呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)動>復合>擺動的趨勢。在低周、高周循環(huán)條件下，DLC薄膜的摩擦系數(shù)、扭轉(zhuǎn)力矩和對磨副 UHMWPE的磨損量均明顯低于Ti6Al4V合金配副；DLC薄膜球窩中心區(qū)域的磨損機制為粘著磨損，球窩邊緣區(qū)域的磨損機制則為磨粒磨損；Ti6Al4V合金球窩的磨損機制則均為磨粒磨損。⑸有限元仿真結果表明，在擺動摩擦時，隨著軸向載荷、擺動角位移的增大，摩擦剪切應力逐漸增大，DLC薄膜球窩的變形量隨之增大，且