高能离子注入uhmwpe的表面改性与不同摩擦体系下的摩擦学性能的研究

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1、l：海人学硕十学位论文摘要超高分了聚乙烯(UHMWPE)具有高的抗冲击性、耐磨性、自润滑性以及优异的生物相容性，广泛地应用于航空、机械和牛物医学领域。例如，目前已作为人工关节的丰要材料之一。然而，大量的实验和临床医学研究认为，随着置换关节使用年限的增长，人工关节长期摩擦磨损产牛的磨屑(丰要为UHMWPE)诱发机体细胞产生一系列不良牛物学反应，导致关节松动而过早的失效。近年来，改善UHMWPE摩擦学性备受国内外研究者的关注。本文丰要以UHMWPE为研究对象，采用高能离子注入技术进行对UHMWPE表面改性，同时间接地改善摩擦

2、副Ti6Ai4V性能，研究不同摩擦体系下的摩擦磨损性能，为拓展应用领域提供实验数据，探讨延长人工关节寿命的可能性。这是一项非常有意义的基础和应用研究工作。本文主要实验内容：1)采用高能离了注入技术对UHMWPE进行不同剂量的Ar．注入。采用OM、AFM、FTIR、显微硬度和纳米压入仪及球坑仪观察、测定和分析改性后试样表面形貌、粗糙度、分予结构、表面显微硬度、弹性模量和抗磨损性能。2)偶件Ti6A14V表面处理(低温氧化处理和物理气相沉积CrN涂层，并分析、测定处理后试样表面基本特性、相结构、表面显微硬度和抗磨损性能。3)

3、采用盘．销磨损机研究未处理UHMWPE在不同摩擦副下的摩擦磨损行为及磨损机理；研究Ti6A14V表面处理(低温氧化和物理气相沉积CrN涂层)对UHMWPE磨损性能的影响及磨损机理；研究Ar+注入在不同摩擦副下对UHMWPE摩擦磨损性能的影响及磨损机理。实验结果表明：(1)UHMWPE经Ar+注入改性后，表面颜色、形貌和粗糙度发生了变化。随注入剂量的增加，颜色由原来的乳白色而依次变成浅黄色、黄褐色和深褐色；光滑的表面呈现出“浮凸’’形貌；粗糙度亦随之依次增大，分别为16．9lam，19．8lam和3811m。’表面分子结构

4、亦发生了变化，Ar+j生入过程中，高能离予与母相原子的相互作用，以及与氧形成羟基和羰基。同时，分子链间形成了三维网状结构，有效地提高了UHMWPE的表面显微硬度、弹性模量和抗磨损性能，并且呈现出良好的韧性。(2)Ti6A14V经低温氧化处理后，表面形成了一层以金红石型Ti02为主的氧化：海人学硕十学位论文层，均匀致密，呈黄褐色条纹状。氧化表面的颜色、粗糙度发牛了变化。PVDCrN涂层亦均匀致密，涂层厚度约为2．15lam。两种表面处理均有效地强化了Ti6A14V表面。氧化后Ti6A14V与Crl2MoV配副时，其磨损量仅

5、为未处理试样的1．52％。(3)UHMWPE与316L不锈钢配副时，其磨损率随表面粗糙度增加、或载荷的增加而增加，尤其是机加工表面和高载荷的情况。低温离了氮化316L不锈钢可降低了UHMWPE的磨损率，但因表面粗糙度增加导致摩擦系数略有上升。UHMWPE磨损机制为两体磨粒磨损并伴有～定程度的塑性变形。(4)UHMWPE与Ti6A14V配副时，UHMWPE出现严重磨损。这可能是由于钛合金表面的“氢脆”化学磨损而导致钛合金严重磨损所引起的。UHMWPE磨损机制丰要为三体磨粒磨损，并伴有少量的塑性变形。(5)表面改性后Ti6A

6、14V能使与之对磨的UHMWPE的磨损量显著减小。低温氧化处理和PVD试样分别为与未处理试样对磨时UHMWPE磨损量的32．4％、35．5％。々这丰要得益于表面处理后牛成的Ti02陶瓷氧化层和CrN涂层有效地抑制“氢脆”的化学磨损。故UHMWPE磨损机理以两体磨粒磨损为丰，伴有轻微的塑性变形。(6)A什注入有效地改善了UHMWPE磨损性能．在与低温离子氮化316L不锈钢配副时，离子注入试样的磨损量低于未处理的试样，且降低的程度随剂量增加而·降低。经120km行程后，高剂量注入试样的磨损量为未注入试样的70．7％。在与表譬

7、．面改性后的Ti6A14V，Ar+注入UHMWPE亦表现出高的耐磨性。然而，Ar+注入使UHMWPE的摩擦系数略有升高，并随剂量增加而增大。由于A什注入的表面强化作用，磨损表面未呈现出UHMWPE塑性变形的形貌，高剂量注入试样仍保留有注入形貌。关键词：超高分子聚乙烯(UHMWPE)，Ti6A14V，离子注入，低温氧化处理，PVDCrN，摩擦磨损性能Hf：海入学硕士学位论文AbstractUltra-highmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)hasfoundsignificantappl

8、icationsinaerospace，mechanicalandbio—medicalindustriesowingtOhighimpactionandwearresistance，self-lubricationandexcellentbio-compatibility．Forexample，UHMWPEhasb