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1、第29卷第2期摩擦学学报Vo.l29No.22009年3月TribologyMar.,2009仿生人工软骨材料的摩擦磨损性能及润滑机理研究122吴刚,王成焘,张文光(1.三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌443002;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)摘要:采用原位复合法制备聚乙烯醇水凝胶(PVA-H),采用模板-滤取法制备多孔超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,对比研究了这2种材料在相同条件下的摩擦磨损性能,通过改变试验转速和载荷获得Stribeck曲线,并对其润滑机理
2、进行分析.结果表明:干摩擦条件下,多孔UHMWPE和PVA-H的摩擦系数和磨损量均较大;在水润滑和牛血清润滑条件下,二者的摩擦磨损性能均得以改善,且PVA-H具有更低的磨损量.Stribeck曲线分析表明:仿生UHMWPE具有的多孔结构使得在其一定的区域内可以形成混合润滑区域;PVA-H具有更好的亲水性能和多孔结构,对应的Stribeck曲线谷底较宽,能够形成较宽的混合润滑区域和流体润滑区域,从而降低了接触区域的磨损量.关键词:PVA-H;UHMWPE;摩擦学性能;润滑机理中图分类号:TH117.3文献标
3、识码:A文章编号:1004-0595(2009)02-0157-06优异的耐磨损性能是人工软骨材料获得应用的(DMSO)、NaCl等均采用上海国药集团化学试剂有[1-4]前提条件之一.目前得到广泛研究的人工软骨限公司产品,其中PVA的聚合度为175050,醇材料主要有软弹性的聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)及解度为99.5%;Ca(OH)2为分析纯,浓度大于具有较高弹性模量和机械性能的超高分子量聚乙烯95%;H3PO4的浓度大于85%;DMSO溶液的浓度(UHMWPE).相关研究结果表明:UHMWPE是
4、一为大于99.0%.超高分子量聚乙烯UHMWPE粉体种具有良好自润滑性能的抗磨损关节材料,其仿生(平均分子量477万)购于上海化工研究院.多孔结构还能进一步提升其润滑性能,降低磨损1.2试样制备[5-6]量.同样具有优异的自润滑性能的PVA-H,利用原位复合法制备PVA-H:将Ca(OH)2经过增强后机械性能和耐磨损性能都得到提研磨过筛后,配制成一定浓度的乙醇悬浮分散液;[7-9]高.但在同等摩擦学条件下这两种人工软骨材适当温度下按计量加入PVADMSOH2O质量比料的摩擦磨损以及润滑机理还没有得到对比
5、研究.为15%68%17%PVA的溶液中,搅拌均匀;按本文作者对比研究了这两种人工软骨材料在相Ca/P比11.67加入H3PO4的乙醇溶液,充分反同条件下的摩擦磨损性能,并利用Stribeck曲线对应3h,再浇注模具中成型.将模具置于-25!冷其润滑机理进行初步分析,期望能了解各因素对材冻12h,取出,在常温下解冻后,再置于水中约料性能的影响程度,进而对人工关节材料的设计和10d,充分置换出试样中的DMSO溶剂,得到最后改性提供理论依据.的试样,放入水中保存.[10]溶液中生成HA的反应方程式如下1实验
6、部分10Ca(OH)2+6H3PO41.1材料准备Ca10(PO4)6(OH)2∀+18H2O聚乙烯醇(PVA)、Ca(OH)2、H3PO4、二甲亚砜制备多孔UHMWPE试样:按照UHMWPE和收稿日期:2008-01-10;修回日期:2008-07-20;联系人:吴刚,e-mai:lwwwg2000@sjtu.org基金项目:国家自然科学基金资助项目(30300078);三峡大学博士启动基金资助项目(0620070133).作者简介:吴刚(1978-),男,副教授,目前主要从事材料科学与生物摩擦学
7、方面的研究.158摩擦学学报第29卷NaCl质量比为5050的比例均匀混合,利用XLB干表面.型平板硫化机热压成型.压制条件:压力10MPa,温1.4润滑机理研究度200!,预压时间1000s,保压时间1500s.制取普通UHMWPE、仿生多孔UHMWPE以及备出仿生多孔UHMWPE材料.多孔UHMWPE的断PVA-H,以不锈钢盘试样作摩擦副,分别以纯水面分析表明,其孔隙半径在75~150m之间,分和牛血清水溶液为润滑介质.试验中用到的摩擦滑[11]布比较均匀.在同样压制条件下制备出普通动速
8、度分别为0.01、0.03、0.05、0.10、0.15、0.20、UHMWPE试样.0.25、0.30、0.35和0.40m/s.载荷为8,16,40和1.3摩擦磨损试验80N.在速度一定、改变载荷以及载荷一定、改变速采用四球摩擦磨损试验机(MRS-10A型,济南度的条件下进行试验,摩擦系数在试验稳定后获试金集团公司生产)进行摩擦磨损试验.仿生多孔得.将2种关节软骨材料的摩擦系数及相应的参数UHMWPE和PVA-H材料制备
