超高分子量聚乙烯的扭动微动磨损研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以良好的耐磨性，优良的机械性能以及生物相容性，作为人工关节窝材料与金属或陶瓷关节头组合构成现代人工关节。人工关节长期使用后会产生磨损，磨损颗粒诱导骨吸收，是引起人工关节无菌松动和最终失效的主要因素。关节的运动方式主要有滑动、滚动和微动。考虑到人体活动的特殊性，有些运动会引起关节头在臼杯中小角度的旋转，则两个接触面间就会产生扭动微动。作为微动的一种运动模式，扭动微动研究鲜有报道。本文采用球／面接触，研究了UHMWPE在两种法向载荷(Fa=100N、200N)、五种角位移幅值(口=0．2。、10、50、300和

2、900)、与两种配副㈣203和TC4)对磨时的扭动微动行为。在详细分析微动接触条件下动力学特性的基础上，结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(xPS)和X射线衍射仪(XRD)对磨痕进行了分析，探讨了扭动微动过程和损伤机制，得到了以下结论：1．扭动微动的运行特性可以通过摩擦扭矩～角位移幅值口嘲曲线进行描述；UHMWPE的T"-0曲线呈现3种基本特征，即直线形、椭圆形和平行四边形。．2．当角位移幅值较小时(曰=O．2。)，UHMWPE的扭动微动处于部分滑移区；角位移幅值较大时处于滑移区。法向载荷的增加对曲线的形状无影响。3．扭矩曲线可分为跑合、上升和

3、稳定三个阶段：本论文的有些试验条件下稳定阶段没有出现。4．试验初期，扭动接触刚度随循环次数的增加较快，后达到稳定。耗散能在试验初期基本保持不变，随着循环次数的增加逐渐上升。5．当角位移幅值度较小时，UHMWPE磨损较轻微，磨痕中间几乎无磨损，磨痕外圈出现细密的犁沟，分布着较多微小的球形磨屑；当角位移幅值较大时，磨痕表面分布着较多的凸脊，稍外侧材料表面出现撕裂，磨痕的最外圈出现众多犁沟和磨屑。UHMWPE的磨损机制主要为磨粒磨损、粘着西南交通大学硕士研究生学位论文第lI页磨损和氧化磨损。6．XPS和XRD分析发现，与原始表面相比，磨痕表面的结晶度有所下降，表面磨损过程中存在UHM

4、WPE大分子链的断裂，同时磨损过程中伴随着氧化。7．UHMWPE与A1203和TC4两种配副对磨时，摩擦扭矩～角位移幅值曲线、扭矩曲线、耗撤能曲线和扭动接触刚度的变化规律相似。在F．=100N时，UHMWPE厂rC4扭矩值较高；R=200N时UI"IMWPE／A1203扭矩值较高。UHMWPE／越203的摩擦耗散能较UHMWPE／TC4高。UHMWPE磨损表面出现相似的特征；不同的是UHMWPE厂rC4磨痕心部有塑性流动的迹象，而UHMWP彤趾203时无此现象。同种工况下UHMwP耵C4的磨痕深度较浅，磨痕直径略小。关键词：摩擦磨损；微动磨损；扭动微动；微动区域；UHMWPE西

5、南交通大学硕士研究生学位论文第1lI页AbstractUltrahj曲molecularweightpolyethylene(UHMWPE)hashigherabrasionresistance，lowercoefficientofsurfacefriction，bettermechanicalpropertiesandbiocompatibility．ThebestcombinationsforartificialjointareUHMWPEforthecupandmetalmaterialsforthehead．WearOccursinartificialjointafte

6、rbeingusedforalong-time．Weardebrisinduceboneresorption，whichleadtoasepticlooseningandultimatefailureofartificialjoint．Themainmodesofmovementinmostkindsofjointsincludeslipping,rollingandfretting．Consideringcomplexityofthehumanbody,somemovememsarerequiredaStherotationoftheheadintheacetabularcu

7、p。wheretorsionalfrettingoccursbetweentwocontactsurfaces．Thestudyoftorsionalfrettingwearhasnotyetbeendoneuptonow．ThetorsionalfrettingbehaviorsofUHMWPEundervariedangulardisplacementamplitudes(0=0．2。，1。，5。，30。and90。)，andnormalIoads(F．=100N、200N)werein