CoCrMo/PEEK关节材料的扭动微动摩擦腐蚀行为研究

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人工关节植入体在人体环境中需承受各种负荷及疲劳、磨损、腐蚀的综合作用,独立的人工关节摩擦学和腐蚀行为研究难以揭示人工关节植入体的生物摩擦腐蚀问题,因此,开展人工关节植入体接触界面间的扭动微动摩擦腐蚀研究具有重要意义。本文以CoCrMo与PEEK为研究对象,不仅对PEEK的表面特性及其摩擦磨损特性与传统植入假体材料UHMWPE的进行了对比分析,并开展了面/面接触界面间的扭动微动磨损和扭动微动腐蚀行为研究。得到的主要结论如下:1.PEEK的抗蠕变性能优于UHMWPE,虽然PEEK的吸水率较高,但其硬度降低百分比低于UHMWPE;在25%牛血清溶液润滑条件下,PEEK的摩擦系数比UHMWPE的略高,但其磨损程度较轻,抗磨损性能更好。2.在不同的环境条件下CoCrMo与PEEK接触界面间的扭动微动主要运行于混合区与完全滑移区。随着角位移幅值的增加,T-θ曲线从椭圆型向平行四边型转变,而摩擦扭矩值则呈先增加后减小的趋势;扭动微动运行于混合区时,PEEK表面的磨痕轮廓呈“W”型,角位移幅值增加或法向载荷增大,磨痕深度增加,环状犁沟加深,磨损程度加重,CoCrMo表面出现磨屑团聚,其损伤机制以塑性变形和粘着剥落为主。扭动微动处于完全滑移区时,PEEK表面的磨痕轮廓呈“U”型,CoCrMo表面出现磨屑拖拽痕迹,其磨损机制仍是粘着磨损,且边缘区域磨损程度较中心区域磨损严重。法向载荷增加,摩擦扭矩增大,CoCrMo表面材料转移增多。3.在25%小牛血清中,扭动前CoCrMo试样表面产生钝化膜层,使得腐蚀电流处在较低水平,腐蚀速度较慢,试验开始后,金属试样上的钝化膜层迅速被破坏,腐蚀电流迅速增大,腐蚀速度加快。同一法向载荷下,随着角位移幅值的增大,钝化膜层被破坏程度越严重,腐蚀电流增加,腐蚀速度加快,材料损伤增加。扭动微动的角位移幅值或法向载荷越大,扭动后金属试样的腐蚀电位越负移,CoCrMo试样的钝化膜层被破坏越严重且越难恢复。4.环境介质对CoCrMo/PEEK间的扭动微动行为和磨损行为产生一定影响。在纯水中,接触界面间的运行阻力较小,相对运行更容易,T-θ曲线的椭圆开口程度较大,且其稳态摩擦扭矩最小,而在25%小牛血清溶液中,配副间的相对运动阻力增加,摩擦扭矩增加,其T-θ曲线张口程度明显减小,呈狭长椭圆状,但在牛血清溶液中的磨损程度最轻,磨损体积最小。在纯水和25%小牛血清中, PEEK表面均出现磨屑堆积,牛血清中的CoCrMo表面磨屑聚集呈树枝状并出现腐蚀痕迹。
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