ZTA陶瓷表面织构制备及其摩擦学增强效应研究

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1、硕士学位论文ZTA陶瓷表面织构制备及其摩擦学增强效应研究PREPARATIONOFSURFACETEXTUREANDITSENHANCEMENTONTRIBOLOGICALPROPERTIESOFZTACERAMIC张琳哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TB333学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工程硕士学位论文ZTA陶瓷表面织构制备及其摩擦学增强效应研究硕士研究生：张琳导师：李玉峰副教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB333U

2、.D.C:620AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringPREPARATIONOFSURFACETEXTUREANDITSENHANCEMENTEFFECTONTRIBOLOGICALPROPERTIESOFZTACERAMICCandidate：ZhangLinSupervisor：Asso.Prof.LiYufengAcademicDegreeAppliedfor：Master’sDegreeofEng

3、ineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要当今社会人口老龄化问题严重，车祸等意外事故频发，导致越来越多的人饱受关节性病痛的折磨。由于普通药物难以完全治愈，人工关节置换成为治疗关节性疾病最有效的途径。陶瓷材料例如ZrO2和Al2O3由于其强度高、化学稳定性和耐腐蚀性能优异被

4、作为一种广泛使用的人工关节材料，但陶瓷材料是一种脆性材料且导致其摩擦学性能受到一定的影响。本论文通过在陶瓷材料表面进行表面织构构筑，来改善陶瓷材料的摩擦学性能，扩大其在人工关节领域的应用。本文利用热压烧结法制备了具有优异力学性能的25wt.%ZrO（23mol.%Y2O3）增韧Al2O3陶瓷（ZTA），同时对ZTA陶瓷组织结构、力学性能进行了表征，还研究了其摩擦学性能。利用光纤激光器在ZTA陶瓷表面进行圆孔型织构构筑，并探索激光功率，激光调Q频率、雕刻速度及脉冲宽度对圆孔型织构尺寸以及热影响区厚度、圆度和锥度的影响。依据织构质量的分析，当激光功率为12W，激光调Q

5、频率为50kHz，雕刻速度为1000mm/s，脉冲宽度为45ns时，可以获得直径约为95μm和深度约为20μm的圆孔型织构，此时圆孔的热影响区厚度为13.5μm，圆度为0.88，锥度为0.6。并利用上述激光加工工艺参数在ZTA陶瓷表面加工了织构面积百分比分别为6%、12%、32%和45%的圆孔型织构阵列。在干摩擦条件下，研究了不同织构面积百分比（0%、6%、12%和32%）对ZTA陶瓷与Al2O3销对磨时摩擦学性能的影响的ZTA陶瓷进行摩擦学测试。当载荷为40N时，随着织构面积百分比的增加，ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率相应增-93-8加，摩擦系数从0.48升高到0

6、.62，磨损率从7.8×10mm/Nm增加到1.2×103mm/Nm，织构并没有起到减磨的作用。当载荷为70N时，随着织构面积百分比的增加，ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率先减小后增大，无表面织构的ZTA陶瓷摩-43擦系数为0.73，磨损率为9.2×10mm/Nm，织构面积百分比为12%时ZTA陶瓷的-53摩擦系数和磨损率都降低到最小值分别为0.49和4.9×10mm/Nm。当载荷继续增-7大到100N时，无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.50，磨损率为3.8×103mm/Nm，织构面积百分比为6%时，ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率都降低到最小-83分别为0.47和8

7、.5×10mm/Nm。载荷为70N和100N时，ZTA陶瓷表面的圆孔型织构通过收集磨屑，减少摩擦过程中磨屑产生的犁削作用，有效的抑制了陶瓷-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表面的脆性断裂，改善ZTA陶瓷的摩擦学性能。在模拟关节滑液条件下，对织构面积百分比分别为0%、6%、12%、32%和45%的ZTA陶瓷与Al2O3对磨时的行为。当载荷为40N时，ZTA陶瓷的摩擦系数随织构百分比的增加而减小，无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.202，织构面积百分比为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值为0.166。当载荷增大到70N时，随着织构面积百分比的增加摩擦系数出现先

8、增加后降低