类金刚石膜对CoCrMo合金摩擦性能的影响

目的研究类金刚石膜(DLC)在不同工况条件下的摩擦性能。方法使用磁控溅射技术,在CoCrMo合金表面沉积掺杂Cr元素的DLC薄膜。通过X射线衍射能谱和拉曼光谱对DLC膜表面的化学成分进行分析,采用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察DLC膜的表面形貌,借助摩擦试验仪测试DLC膜在不同工况条件下的摩擦性能。结果薄膜表面呈现颗粒状结构,且薄膜表面粗糙度在10 nm左右,物相分析表明,DLC薄膜为非晶化结构。在牛血清白蛋白(BSA)和NaCl溶液润滑条件下,DLC/CoCrMo摩擦副的平均摩擦系数(COF)分别趋于0.08,磨损区域存在少量的刮痕;而在干摩擦条件下,摩擦系数曲线表现出由高到低的变化趋势,平均摩擦系数约为0.21,同时在销磨损表面能观察到石墨化转移层。当接触压力为1 MPa时,平均摩擦系数约为0.10;接触压力增加至8 MPa时,平均摩擦系数约为0.08。结论润滑条件下,DLC膜表面悬键被钝化,减小其与配副表面之间的相互作用力,因此摩擦系数较低;干摩擦条件下,石墨化转移层充当固体润滑层,最终导致摩擦系数呈现下降趋势。DLC薄膜对摩擦配副具有明显的减摩效果。

人工关节材料的表面润滑设计与应用

人工关节的摩擦磨损问题仍然是基础研究中最重要的问题,借助表面改性技术改善假体的摩擦学性能是人工关节未来发展的必经之路。从润滑角度考虑,对假体关节材料摩擦性能的研究主要集中在表面功能化润滑结构设计以及新型仿生润滑剂研究两方面。针对功能化润滑结构,介绍表面织构设计以及聚合物刷的应用,分析表面织构参数对不同运动工况下摩擦副摩擦性能的影响,阐述表面织构的润滑机制;总结不同种类的聚合物刷结构对摩擦体系耐磨性能的调控,阐明"刷型"结构在摩擦界面的水润滑特点,提出环境介质对聚合物刷结构及性质的影响作用。针对关节润滑剂,介绍传统的关节滑液组分向聚合物仿生润滑剂的拓展。指出微/纳结构的嵌套设计与协同润滑以及润滑剂结构仿生与功能仿生的结合,将是未来的重要发展方向。

类金刚石膜与表面织构双重改性下CoCrMo合金摩擦性能研究

研究采用类金刚石碳(DLC)薄膜和表面织构双重改性技术对CoCrMo合金进行了表面处理,借助摩擦试验研究配副系统的摩擦性能,并分析了摩擦和磨损机理。结果表明,改性前的CoCrMo/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副在生理盐水溶液润滑下的摩擦系数低至0.05。当接触压力为3.5 MPa时,DLC薄膜改性后的配副在牛血清白蛋白(BSA)溶液中平均摩擦系数为0.25,在生理盐水中的平均摩擦系数为0.42;DLC薄膜和表面织构双重改性处理的配副在BSA溶液和生理盐水润滑下的摩擦系数分别为0.23和0.31,表明改性处理不能发挥减摩效果。未改性的CoCrMo试样在生理盐水润滑下磨损表面存在大量UHMWPE磨屑,并且UHMWPE磨屑发挥自润滑作用。改性处理提高了CoCrMo试样盘的耐磨性能,却抑制了UHMWPE磨屑在CoCrMo试样盘表面的粘附。双重改性表面在存储磨损磨屑和提高表面耐磨性能方面具有协同效应。

人工髋关节的接触力学性能仿真分析

为探究不同材料和结构参数对人工髋关节接触力学性能的影响,采用有限元法建立球基共型人工髋关节有限元模型。通过在股骨头中心施加竖直向上的载荷,分析髋臼杯在不同材料组合和不同结构参数下的接触力学性能。结果表明:随着材料弹性模量增大,配副之间的接触压力增大,接触面积相应减小,同一结构参数下不同材料配副接触压力的变化趋势基本一致;结构参数中股骨头与臼杯之间的间隙和股骨头直径对接触压力影响较大,臼杯倾角超过60°则会产生边缘接触现象。研究结果可为人工髋关节的设计和安装提供参考。

织构设计调控表面性能的研究进展

表面织构设计对表面性能和使用范围发挥着重要的作用,文中介绍了表面织构影响表面摩擦性能的主要原理,在众多的研究中发现,表面织构的面积率、形状、尺寸等参数都对表面摩擦有着重要的影响。表面织构的尺度设计与嵌套控制可有效提升材料的摩擦性能。在此基础上,分析了表面织构设计在减阻、防污方面的研究现状,指出利用表面织构构建仿生防污、减阻的一体化技术,将成为未来的重要研究方向,借助表面织构技术与其他技术地有效结合,能够进一步拓宽其应用领域。