HA/UHMWPE复合材料的蠕变及棘轮行为研究

摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因为其独特的性能，作为人工关节衬垫材料已经在关节置换手术中临床应用了五十多年，因其处于人工关节摩擦副的薄弱环节，在使用过程中会出现层离、开裂和松动等问题，从而影响使用寿命。 本文采用填充改性的工艺，将比重为0、5、10和20%的羟基磷灰石（HA）与超高分子量聚乙烯粉末均匀混合，热压成型制备改性复合材料，并进行一系列的力学测试，分析纳米粒子填充对UHMWPE力学性能的改善情况。 随HA含量的增加，复合材料的硬度上升，抗拉强度和断裂延伸率有明显的下降，杨氏模量有所增加。结合 SEM微观观测，发现 HA粒子均匀分布在UHMWPE基体中，在加载初期会抑制高分子链的运动，同样，接合面间的微裂纹会使试样在加载后期过早断裂。在不同HA含量和应力水平下复合材料的蠕变和回复实验表明，试样的蠕变应变和残余应变随应力的升高而增加，在同一应力水平下，蠕变应变和残余应变随HA含量的增加会有明显的降低。同时，为定量分析HA粒子对UHMWPE弹性、粘弹性和粘塑性等性能的改善效果，引入Findley模型、Burgers模型和Weibull分布函数对实验数据进行拟合，拟合的参数代表着物理性能的变化，以此来说明HA对UHMWPE蠕变和回复性能的影响。另外，修正的Findley幂律模型能直观地描述复合材料蠕变应变与HA含量和应力之间的关系，且能很好的预测HA/UHMWPE复合材料在不同应力水平下的蠕变行为。 为探究超高分子量聚乙烯在单向和多向受力时的循环力学行为，对不同应力幅值、应力率和HA含量下的单轴棘轮行为进行了实验研究和模型预测；另外，设计了十字形拉伸试样，并进行多种路径加载的面内双轴拉伸棘轮试验。结果表明，修正的本构模型能很好地预测超高分子量聚乙烯的单轴棘轮行为；双轴加载中，在任一加载路径下，试样在两个受力方向上均表现出明显的塑性应变累积现象，而且，因为加载波形、相位差、加载率和保持时间等影响因素，试样呈现出不同的棘轮累积应变和应变率。

目录

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第1章 绪论

1.1 超高分子量聚乙烯的特性及应用背景

1.2 超高分子量聚乙烯的改性

1.3 高分子聚合物的蠕变与分析模型

1.4 高分子聚合物的棘轮行为

1.5 本文的主要研究工作和意义

第2章 超高分子量聚乙烯的填充改性及拉伸力学性能

2.1 实验条件

2.2 实验方案

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 HA/UHMWPE复合材料的蠕变回复性能及模型分析

3.1 实验条件

3.2 实验方案

3.3 实验结果分析

3.4 蠕变-回复模型分析

3.5本章小结

第4章 HA/UHMWPE复合材料的单轴棘轮及模型预测

4.1 实验条件

4.2 实验方案

4.3 单轴棘轮实验结果

4.4 棘轮模型预测

4.5 本章小结

第5章 超高分子量聚乙烯的双轴棘轮效应

5.1 实验条件

5.2 双轴十字形试样设计

5.3实验方案

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 进一步研究展望

参考文献

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致谢