ha-uhmwpe复合材料的蠕变及棘轮行为研究

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1、HA/UHMWPE复合材料的蠕变及棘轮行为研究ThestudyofcreepandratchetingbehaviorofHA/UHMWPEcomposite学科专业：化工过程机械作者姓名：李帆指导教师：高红研究员天津大学化工学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究

2、所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因为其独特的性

3、能，作为人工关节衬垫材料已经在关节置换手术中临床应用了五十多年，因其处于人工关节摩擦副的薄弱环节，在使用过程中会出现层离、开裂和松动等问题，从而影响使用寿命。本文采用填充改性的工艺，将比重为0、5、10和20 %的羟基磷灰石（HA）与超高分子量聚乙烯粉末均匀混合，热压成型制备改性复合材料，并进行一系列的力学测试，分析纳米粒子填充对UHMWPE力学性能的改善情况。随HA含量的增加，复合材料的硬度上升，抗拉强度和断裂延伸率有明显的下降，杨氏模量有所增加。结合SEM微观观测，发现HA粒子均匀分布在UHMWP

4、E基体中，在加载初期会抑制高分子链的运动，同样，接合面间的微裂纹会使试样在加载后期过早断裂。在不同HA含量和应力水平下复合材料的蠕变和回复实验表明，试样的蠕变应变和残余应变随应力的升高而增加，在同一应力水平下，蠕变应变和残余应变随HA含量的增加会有明显的降低。同时，为定量分析HA粒子对UHMWPE弹性、粘弹性和粘塑性等性能的改善效果，引入Findley模型、Burgers模型和Weibull分布函数对实验数据进行拟合，拟合的参数代表着物理性能的变化，以此来说明HA对UHMWPE蠕变和回复性能的影响。另

5、外，修正的Findley幂律模型能直观地描述复合材料蠕变应变与HA含量和应力之间的关系，且能很好的预测HA/UHMWPE复合材料在不同应力水平下的蠕变行为。为探究超高分子量聚乙烯在单向和多向受力时的循环力学行为，对不同应力幅值、应力率和HA含量下的单轴棘轮行为进行了实验研究和模型预测；另外，设计了十字形拉伸试样，并进行多种路径加载的面内双轴拉伸棘轮试验。结果表明，修正的本构模型能很好地预测超高分子量聚乙烯的单轴棘轮行为；双轴加载中，在任一加载路径下，试样在两个受力方向上均表现出明显的塑性应变累积现象，

6、而且，因为加载波形、相位差、加载率和保持时间等影响因素，试样呈现出不同的棘轮累积应变和应变率。关键词：超高分子量聚乙烯，羟基磷灰石，蠕变回复，分析模型，棘轮Ⅰ万方数据AbstractUltra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE)has been successfully used as a bearing material in prosthetic replacement for joint for over five decades, owing

7、 to its unique mechanical properties.Whilethe weakness of the artificial joint friction pairsresult insome problems during clinical application, such as delamination, cracking and loosening, which will affect its service life.In this study, 0, 5, 10and 

8、20wt.%hydroxyapatite (HA)and UHMWPE powders were homogeneously compounded and consolidated under hot press, then a series of mechanical tests were conducted to investigatethe contribution of HAparticles to the mechanical properti