DLC薄膜改性鈦合金的生物摩擦學(xué)研究.pdf

1、隨著醫(yī)用人體植入材料的迅速發(fā)展，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)逐漸成為恢復(fù)患者關(guān)節(jié)功能和解除患者痛苦的重要醫(yī)療手段。迄今為止，對(duì)人工關(guān)節(jié)的研究主要集中在髖、膝關(guān)節(jié)，頸椎關(guān)節(jié)的研究文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)較少，更缺少對(duì)其生物摩擦學(xué)行為和磨損機(jī)理的系統(tǒng)研究。隨著頸椎病發(fā)病群體的日益年輕化，對(duì)人工頸椎間盤(pán)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(pán)的屈/伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的研究了人工頸椎間盤(pán)材料在不同運(yùn)動(dòng)形式下的生物摩擦學(xué)行為，探索不同運(yùn)動(dòng)形式間的交

2、互作用機(jī)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(shù)，在Ti6Al4V合金基體表面沉積含氫類(lèi)金剛石碳膜（DLC薄膜），對(duì)DLC薄膜的硬度、結(jié)構(gòu)、形貌、潤(rùn)濕性等基本性能進(jìn)行表征，利用多自由度材料磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)DLC薄膜在多種運(yùn)動(dòng)模式下的生物摩擦性能進(jìn)行研究，并且結(jié)合有限元仿真模擬分析了DLC薄膜的力學(xué)行為及磨損機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用高溫?zé)釅撼尚头椒ㄖ苽涑叻肿恿烤垡蚁║HMWPE）球

3、冠，陽(yáng)極型離子源結(jié)合非平衡磁控濺射復(fù)合技術(shù)與離子注入耦合的方法在 Ti6Al4V合金表面沉積DLC薄膜。通過(guò)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(lèi)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(rùn)性。DLC薄膜與基體表面結(jié)合緊密，厚度均勻，達(dá)到2μm，未見(jiàn)明顯的裂紋。⑵模擬人工頸椎間盤(pán)的屈/伸和側(cè)

4、彎運(yùn)動(dòng)，開(kāi)展擺動(dòng)摩擦學(xué)試驗(yàn)，隨著軸向載荷及擺動(dòng)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(jī)制以嚴(yán)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(yīng)力脆斷，發(fā)生脆性剝落。⑶模擬頸椎間盤(pán)的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦學(xué)試驗(yàn)，隨著軸向載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shì)。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(jìn)入完全滑移狀態(tài)的時(shí)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(jī)制表現(xiàn)為嚴(yán)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(yīng)力集中產(chǎn)生的脆性剝落為主。

6、DLC薄膜增大了對(duì)磨副UHMWPE的磨損，UHMWPE的磨損機(jī)制是粘著磨損和磨粒磨損綜合作用的結(jié)果。⑷與Ti6Al4V合金的擺-轉(zhuǎn)復(fù)合摩擦對(duì)比，擺動(dòng)摩擦系數(shù)低于復(fù)合摩擦系數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦扭轉(zhuǎn)力矩大于復(fù)合摩擦扭轉(zhuǎn)力矩；不同摩擦狀態(tài)下對(duì)磨副UHMWPE的磨損量呈現(xiàn)出擺動(dòng)>復(fù)合>轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)；擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)表現(xiàn)為相互制約的關(guān)系。與DLC薄膜改性后Ti6Al4V合金的擺-轉(zhuǎn)復(fù)合摩擦對(duì)比，擺動(dòng)摩擦系數(shù)低于復(fù)合摩擦系數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦扭轉(zhuǎn)力矩大于復(fù)合摩擦扭轉(zhuǎn)力矩；

7、不同摩擦狀態(tài)下對(duì)磨副UHMWPE的磨損量呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)動(dòng)>復(fù)合>擺動(dòng)的趨勢(shì)。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(duì)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(jī)制為粘著磨損，球窩邊緣區(qū)域的磨損機(jī)制則為磨粒磨損；Ti6Al4V合金球窩的磨損機(jī)制則均為磨粒磨損。⑸有限元仿真結(jié)果表明，在擺動(dòng)摩擦?xí)r，隨著軸向載荷、擺動(dòng)角位移的增大，摩擦剪切應(yīng)力逐漸增大，DLC薄膜球窩的變形量隨之增大，且