人工关节金属材料表面非晶碳基纳米多层薄膜改性的耐磨性能研究
发布时间：2021-08-19 15:39
金属材料凭借着优异的力学和加工性能,被广泛应用于人工关节假体中。但在人体复杂的服役环境下,关节界面常常发生磨损。金属材料磨损后产生大量的金属离子和磨损颗粒,诱发不良生物反应,进而导致假体周围骨溶解并造成无菌松动。表面薄膜涂层改性能够改善金属关节表面的耐磨、耐腐蚀性能,并有效阻止金属离子的释放,然而表面薄膜涂层的结合强度和中长期耐磨性能较差仍然是限制其临床应用的瓶颈。本论文针对人工关节金属材料表面非晶碳基纳米多层薄膜改性的耐磨性问题,采用有限元分析方法研究了薄膜/基体系统在不同参数条件下的应力分布规律,预测了系统屈服的起始位置;同时采用光学3D轮廓仪、Raman光谱仪、纳米压痕仪、涂层结合强度划痕仪和多向运动植入物材料磨损机等仪器和手段,研究非晶碳基纳米多层薄膜沉积基体的物理化学性能对薄膜表面性能、原子键合结构、力学和耐磨性能等的影响规律。本论文研究成果不仅可为薄膜参数化的优化设计提供理论指导,而且可为人工关节金属材料薄膜表面改性的优化和摩擦学改善提供技术支撑。论文的研究工作主要包括:（1）基于有限元的薄膜/基体系统应力分布及屈服失效位置预测研究:在软膜系统中且摩擦系数较小时,基体和薄膜...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人工关节：(a)人工髋关节；
?骨关节炎、骨损伤等疾病已成为危害人体关节健康的主要病因，而人工关节置换手术被认为是治疗这类关节疾病的最有效方法和手段。关节置换手术能够有效地修复或替换病发的天然关节，从而改善关节畸形、缓解关节疼痛、重建关节功能和稳定关节，最终提高患者的生活质量[1,2]。人工关节的应用与发展起源于人工髋关节，而目前关节置换领域中开展的最广泛和最成熟的为人工髋关节和膝关节。此外，由于设计技术的提高和市场需求的拓展，人工肘关节、人工肩关节、人工踝关节、人工脊柱关节和人工指间关节的设计和应用也得到快速发展，图1-1为常用的人工关节假体。图1-1人工关节：(a)人工髋关节；(b)人工膝关节；(c)人工肩关节[3]1891年，Gluck利用象牙关节球头和臼杯组成人工髋关节，并执行了首例关节置换手术，自此关节置换手术开始走进人类生活[4]。经过上百年的发展，人工关节置换手术的切实疗效被越来越多的患者所认可。在欧美等发达国家，人工关节置换发展较早且取得了较为成熟的技术，其每年能达到上百万例。国内的人工关节发展和应用大约开始于上世纪50年代，并于最近20年内取得高速的发展。目前，我国年均人工关节置换总量约为50万例（2016年），生活水平和诊治效率的提高使得人工关节置换量正在以每年30%的速率增长[5]，但是由于价格昂贵、性能受限等原因，远远未达到我国200万的需求量。我国人工关节市场价值可达800亿以上，但几乎被进口产品所垄断，国产关节产品虽然销售量可占到50%，但销售额只占到约35%，且集中在中低端产品[6]。目前人工关节的平均服役寿命仅有15-20年，远低于30-50年的预期临床寿命，关节置换后因磨损、磨屑等问题导致术后翻修率高达20%[7]。因此，如何提高人工关节的服役性能与寿命，成为改善全民医疗健康、提升自主产品?
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页1.3非晶碳基薄膜改性的人工关节耐磨性能研究1.3.1非晶碳基薄膜简介非晶碳基（AmorphousCarbon，a-C）薄膜是碳的一种非晶结构，主要是由碳原子杂化形式的sp3和sp2杂化键构成，其不同杂化形式如图1-2所示。Sp3杂化碳原子镶嵌在sp2杂化碳原子当中，sp2杂化碳原子的第四个共价电子进入该二维平面结构中的π轨道上，与较弱的π键结合。因此非晶碳基薄膜的性质介于金刚石和石墨之间，并且是一种处于亚稳态的碳基产物。根据薄膜中sp3和sp2相对含量的不同，其组织结构和物理性能具有较大的差异。Sp3相对含量越大，非晶碳基薄膜性能越倾向于金刚石，而sp2相对含量越大，性能越倾向于石墨[33-35]。Sp3Sp2Sp1图1-2碳原子三种杂化形式[36]非晶碳基薄膜根据氢元素的有无，可分为无氢非晶碳基薄膜（a-C）和含氢非晶碳基薄膜（a-C:H）两类。对于这两种薄膜，sp3含量高于80%的无氢非晶碳基薄膜被称为四面体非晶碳基薄膜（ta-C），sp3含量高于70%的含氢非晶碳基薄膜被称为氢化四面体非晶碳基薄膜（ta-C:H）。氢含量及sp3/sp2的比例是决定薄膜本身性能的最主要两个因素。图1-3为非晶碳基薄膜的sp2、sp3和H的三元相图[37]。图1-3非晶碳基薄膜三元相图[37]1971年，Aisenberg和Chabot首次在室温下利用离子束沉积的方法沉积得到非晶
【参考文献】：
期刊论文
[1]界面黏滑摩擦现象的研究进展[J]. 宋保江,阎绍泽. 中国机械工程. 2017(13)
[2]涂层材料特性对滚动轴承接触性能的影响[J]. 王志坚,沈雪瑾,陈晓阳,张涛. 北京理工大学学报. 2016(04)
[3]我国人工关节加速发展的二十年[J]. 戴尅戎,李慧武,严孟宁. 中华关节外科杂志(电子版). 2015(06)
[4]人工关节改性材料的生物摩擦学研究[J]. 葛世荣,王庆良. 医用生物力学. 2009(05)
[5]人工关节材料的研究与展望[J]. 张亚平,高家诚,王勇. 世界科技研究与发展. 2000(01)
[6]固体表面自由能及其分量的计算方法（I）──接触角法[J]. 韩玉香,韩平,王永富,岳福山,刘俊仁. 辽宁师范大学学报(自然科学版). 1995(03)
博士论文
[1]类金刚石薄膜在水环境中的磨损行为研究[D]. 张腾飞.西南交通大学 2016
[2]人工关节润滑技术与摩擦学测试研究[D]. 华子恺.上海大学 2011
硕士论文
[1]超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的非晶碳基涂层改性及其摩擦学性能[D]. 贺凤飞.浙江大学 2016
[2]磁控溅射非晶碳基薄膜的结构设计与机械性能[D]. 蔡建宾.浙江大学 2014
[3]磁控溅射CrN/W2N多层薄膜和Ti/a-C复合薄膜的结构调控及摩擦学性能[D]. 李瑞玲.浙江大学 2010
本文编号：3351679
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人工关节：(a)人工髋关节；
?骨关节炎、骨损伤等疾病已成为危害人体关节健康的主要病因，而人工关节置换手术被认为是治疗这类关节疾病的最有效方法和手段。关节置换手术能够有效地修复或替换病发的天然关节，从而改善关节畸形、缓解关节疼痛、重建关节功能和稳定关节，最终提高患者的生活质量[1,2]。人工关节的应用与发展起源于人工髋关节，而目前关节置换领域中开展的最广泛和最成熟的为人工髋关节和膝关节。此外，由于设计技术的提高和市场需求的拓展，人工肘关节、人工肩关节、人工踝关节、人工脊柱关节和人工指间关节的设计和应用也得到快速发展，图1-1为常用的人工关节假体。图1-1人工关节：(a)人工髋关节；(b)人工膝关节；(c)人工肩关节[3]1891年，Gluck利用象牙关节球头和臼杯组成人工髋关节，并执行了首例关节置换手术，自此关节置换手术开始走进人类生活[4]。经过上百年的发展，人工关节置换手术的切实疗效被越来越多的患者所认可。在欧美等发达国家，人工关节置换发展较早且取得了较为成熟的技术，其每年能达到上百万例。国内的人工关节发展和应用大约开始于上世纪50年代，并于最近20年内取得高速的发展。目前，我国年均人工关节置换总量约为50万例（2016年），生活水平和诊治效率的提高使得人工关节置换量正在以每年30%的速率增长[5]，但是由于价格昂贵、性能受限等原因，远远未达到我国200万的需求量。我国人工关节市场价值可达800亿以上，但几乎被进口产品所垄断，国产关节产品虽然销售量可占到50%，但销售额只占到约35%，且集中在中低端产品[6]。目前人工关节的平均服役寿命仅有15-20年，远低于30-50年的预期临床寿命，关节置换后因磨损、磨屑等问题导致术后翻修率高达20%[7]。因此，如何提高人工关节的服役性能与寿命，成为改善全民医疗健康、提升自主产品?
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页1.3非晶碳基薄膜改性的人工关节耐磨性能研究1.3.1非晶碳基薄膜简介非晶碳基（AmorphousCarbon，a-C）薄膜是碳的一种非晶结构，主要是由碳原子杂化形式的sp3和sp2杂化键构成，其不同杂化形式如图1-2所示。Sp3杂化碳原子镶嵌在sp2杂化碳原子当中，sp2杂化碳原子的第四个共价电子进入该二维平面结构中的π轨道上，与较弱的π键结合。因此非晶碳基薄膜的性质介于金刚石和石墨之间，并且是一种处于亚稳态的碳基产物。根据薄膜中sp3和sp2相对含量的不同，其组织结构和物理性能具有较大的差异。Sp3相对含量越大，非晶碳基薄膜性能越倾向于金刚石，而sp2相对含量越大，性能越倾向于石墨[33-35]。Sp3Sp2Sp1图1-2碳原子三种杂化形式[36]非晶碳基薄膜根据氢元素的有无，可分为无氢非晶碳基薄膜（a-C）和含氢非晶碳基薄膜（a-C:H）两类。对于这两种薄膜，sp3含量高于80%的无氢非晶碳基薄膜被称为四面体非晶碳基薄膜（ta-C），sp3含量高于70%的含氢非晶碳基薄膜被称为氢化四面体非晶碳基薄膜（ta-C:H）。氢含量及sp3/sp2的比例是决定薄膜本身性能的最主要两个因素。图1-3为非晶碳基薄膜的sp2、sp3和H的三元相图[37]。图1-3非晶碳基薄膜三元相图[37]1971年，Aisenberg和Chabot首次在室温下利用离子束沉积的方法沉积得到非晶
【参考文献】：
期刊论文
[1]界面黏滑摩擦现象的研究进展[J]. 宋保江,阎绍泽. 中国机械工程. 2017(13)
[2]涂层材料特性对滚动轴承接触性能的影响[J]. 王志坚,沈雪瑾,陈晓阳,张涛. 北京理工大学学报. 2016(04)
[3]我国人工关节加速发展的二十年[J]. 戴尅戎,李慧武,严孟宁. 中华关节外科杂志(电子版). 2015(06)
[4]人工关节改性材料的生物摩擦学研究[J]. 葛世荣,王庆良. 医用生物力学. 2009(05)
[5]人工关节材料的研究与展望[J]. 张亚平,高家诚,王勇. 世界科技研究与发展. 2000(01)
[6]固体表面自由能及其分量的计算方法（I）──接触角法[J]. 韩玉香,韩平,王永富,岳福山,刘俊仁. 辽宁师范大学学报(自然科学版). 1995(03)
博士论文
[1]类金刚石薄膜在水环境中的磨损行为研究[D]. 张腾飞.西南交通大学 2016
[2]人工关节润滑技术与摩擦学测试研究[D]. 华子恺.上海大学 2011
硕士论文
[1]超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的非晶碳基涂层改性及其摩擦学性能[D]. 贺凤飞.浙江大学 2016
[2]磁控溅射非晶碳基薄膜的结构设计与机械性能[D]. 蔡建宾.浙江大学 2014
[3]磁控溅射CrN/W2N多层薄膜和Ti/a-C复合薄膜的结构调控及摩擦学性能[D]. 李瑞玲.浙江大学 2010
本文编号：3351679
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