镁合金人工髋关节摩擦学设计及其减摩抗磨性能研究

摘要

传统人工髋关节材料在生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性等方面影响了人工髋关节的使用性能，开发新材料人工髋关节成为改进人工髋关节性能、提高使用寿命的重要手段。镁合金以其丰富的资源、良好的生物相容性、生物可降解性等优势成为理想的人工植入材料，但其低耐磨性和快速腐蚀性能成为限制其应用的关键因素。微弧氧化技术可通过在材料表层制备膜层，提高原材料的耐磨性，减缓其腐蚀性能。
　　本文通过开展镁合金人工髋关节摩擦学设计，利用熔模铸造方法制备了镁合金人工髋关节柄，测试其可承受最大压力为3271N。利用有限元软件ABAQUS分析了以超高分子量聚乙烯为髋臼与之配对组合的人工髋关节在静态、步态载荷作用下的接触应力状态，结果显示:静态载荷作用时，镁合金人工股骨头受到9.125MPa的最大接触应力，超高分子量聚乙烯人工髋臼的应变值高;步态载荷下超高分子量聚乙烯人工髋臼始终承受着最大接触应力。可见，关节副在动、静载荷之间交替承受最大接触应力，虽可能有利于提高关节使用寿命，但优势不显著。
　　为改善镁合金人工髋关节的摩擦磨损性能和耐腐蚀性能，文中利用微弧氧化技术在镁合金人工髋关节柄表面制备了一层致密的膜层。利用金相显微镜和扫描电镜SEM等方式，对微弧氧化作用时间引起膜层效果的变化做了分析:膜层成分随作用时间的增长变化不大，但厚度与表面微观粗糙度随之增加，合理的微弧氧化时间为15min。开展以模拟体液为润滑剂中，镁合金人工髋关节材料降解性能对比实验，结果表明:微弧氧化处理镁合金WE43的耐腐蚀性能最好，未处理的镁合金WE43的耐腐蚀性能次之;镁合金AZ41的抗腐蚀性远不如镁合金WE43;微观形貌分析表明，未经处理的镁合金表面的腐蚀裂纹是引起该合金降解的诱因，镁合金基体与腐蚀介质的接触被微弧氧化膜层隔离，耐腐蚀性能得到提高。
　　利用MMG-10型气氛保护摩擦磨损试验机，开展了镁合金人工髋关节环-块摩擦副的摩擦磨损实验研究。结果表明:在干摩擦条件下人工髋关节镁合金WE43和微弧氧化镁合金膜层的摩擦系数比较稳定，但两者摩擦系数均较高;与干摩擦下摩擦系数相比较，模拟体液润滑下的摩擦系数虽有一定幅度的波动，但两者的摩擦系数数值较低;微弧氧化膜层在两工况的摩擦系数均低于未处理合金的摩擦系数，起到了减摩效果。在润滑条件下镁合金WE43的摩擦磨损过程中，模拟体液参与了摩擦磨损进程，模拟体液的腐蚀加速了基体材料磨损进程;微弧氧化涂层起到了保护基体材料作用，隔绝了与润滑剂的接触，磨损量小于未处理镁合金WE43磨损时的磨损量，起到了抗磨作用。模拟体液润滑下，镁合金WE43的磨损机制以磨粒磨损为主，腐蚀磨损为辅的形式伴随整个磨损过程;微弧氧化膜层的磨损机制:低中载荷作用下仅以磨粒磨损存在，高载荷下磨粒磨损与剥落磨损机制并存。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 人工髋关节介绍

1．2 人工髋关节材料及其摩擦学研究进展

1．2．1 人工髋关节配对副材料

1．2．2 人工髋关节摩擦学实验研究进展

1．3 镁合金在医学外科植入物的应用研究进展

1．3．1 镁合金在医学外科植入物的应用优势与问题

1．3．2 微弧氧化后镁合金的生物相容性

1．4 镁合金的摩擦学理论研究进展

1．4．1 镁合金的摩擦磨损性能研究

1．4．2 微弧氧化后镁合金的摩擦磨损性能研究

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本文的研究意义

第二章 镁合金人工髋关节摩擦学设计

2．1 镁合金组分设计

2．1．1 主要合金元素与力学性能

2．1．2 合金元素对人体健康的影响因素

2．2 人工髋关节配对副材料的选取

2．3 镁合金人工髋关节润滑剂中演变行为研究与摩擦学实验设计

2．3．1 润滑剂的选取

2．3．2 镁合金人工髋关节在润滑剂中演变行为实验设计

2．3．3 人工髋关节用镁合金摩擦学实验设计

2．4 镁合金人工髋关节柄制备技术

2．4．1 人工髋关节柄模具设计

2．4．2 人工髋关节柄蜡模制作

2．4．3 人工髋关节柄蜡模组树与型壳制作

2．4．4 镁合金熔炼与浇注成形

2．4．5 后处理

2．5 本章小结

第三章 镁合金人工髋关节力学性能研究

3．1 镁合金人工髋关节柄抗压性能测试

3．2 镁合金人工髋关节接触力学有限元分析

3．2．1 人工髋关节运动受载分析

3．2．2 镁合金人工髋关节接触力学有限元分析模型

3．2．3 镁合金人工髋关节静态接触有限元分析

3．2．4 步态载荷下镁合金人工髋关节接触力学有限元分析

3．3 本章小结

第四章 人工髋关节用镁合金在润滑剂中演变行为研究

4．1 研究流程

4．2 人工髋关节用镁合金微弧氧化实验

4．2．1 实验设备与试样制备

4．2．2 微弧氧化实验方法

4．2．3 微弧氧化镁合金成膜形貌表征与分析

4．3 人工髋关节用镁合金在润滑剂中演变行为实验

4．3．1 润滑剂配制

4．3．2 试样制备

4．3．3 降解速度的测量

4．3．4 降解附着产物的表征

4．4 润滑液中演变行为分析

4．4．1 降解速度分析

4．4．2 降解形貌分析

4．4．3 降解附着产物分析

4．5 本章小结

第五章 人工髋关节用镁合金摩擦磨损实验性能分析

5．1 实验目的

5．2 实验方法

5．2．1 实验设备

5．2．2 实验试样

5．2．3 实验方案

5．3 摩擦磨损性能分析

5．3．1 人工髋关节用镁合金WE43的摩擦性能

5．3．2 人工髋关节用镁合金WE43的磨损形貌分析

5．3．3 微弧氧化镁合金WE43膜层摩擦磨损性能

5．3．4 微弧氧化镁合金WE43膜层的磨损形貌分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录