镁合金人工髋关节摩擦学设计及其减摩抗磨性能研究

发布时间：2017-11-24 20:34

  本文关键词：镁合金人工髋关节摩擦学设计及其减摩抗磨性能研究

  更多相关文章： 人工髋关节 摩擦学设计 微弧氧化 有限元分析

【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。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.17

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张二林;杜晓岩;李宇飞;岳长军;王红英;李慕勤;;微弧氧化阴阳极间距及时间对镁基生物涂层表面形貌的影响[J];中国体视学与图像分析;2011年04期

2 蒋颖;高岩;周磊;郭泽鸿;李少冰;刘湘宁;丁婧文;刘伟珍;;占空比对微弧氧化纯钛膜层结构的影响[J];中国组织工程研究;2012年12期

3 李传花;王志峰;朱丽娜;高楠;郭美画;李慧垠;蓝菁;;酸蚀及微弧氧化对钛表面处理后与瓷结合强度的实验研究[J];口腔颌面修复学杂志;2014年03期

4 乔磊;丁仲鹃;张立亚;牛涛;;微弧氧化对打磨喷砂钛种植体表面影响的研究[J];昆明医学院学报;2011年11期

5 马臣;高燕;李慕勤;李明;王晶彦;张德秋;;纳米SiO_2对纯镁超声微弧氧化涂层组织结构及性能的影响[J];中国体视学与图像分析;2014年01期

6 刘继光;李喜峰;高燕;王晶彦;张德秋;李慕勤;;AgNO_3对超声微弧氧化纯镁生物涂层组织及性能影响[J];中国体视学与图像分析;2014年02期

7 郭泽鸿;周磊;容明灯;蒋颖;丁婧文;刘伟珍;;纯钛种植体激光-微弧氧化表面处理对早期骨结合的影响[J];口腔颌面外科杂志;2014年03期

8 王磊;闫凤英;陈建治;;微弧氧化时间对纯钛表面膜层微观结构的影响[J];中国组织工程研究;2012年51期

9 王磊;闫凤英;陈建治;王守彪;;不同多肽修饰方法对纯钛微弧氧化膜层性能的影响[J];中国组织工程研究;2014年30期

10 王小红;曹阳;杨亮;刘钟馨;;微弧氧化和碱处理对钛的细胞粘附和骨植入行为的影响研究[J];功能材料;2014年09期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 来永春;杜建成;施修龄;华m:;丁晓纪;;等离子体在微弧氧化中的作用[A];'2001全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集[C];2001年

2 宋希剑;;微弧氧化及其在高硅铸铝和高含铜硬铝零部件的应用[A];第五届全国表面工程学术会议论文集[C];2004年

3 严川伟;杜克勤;段红平;刘津义;王福会;;镁合金的微弧氧化及腐蚀防护[A];2006年全国腐蚀电化学及测试方法学术会议论文集[C];2006年

4 蒋百灵;杨巍;苏阳;;微弧氧化与磁控溅射的工程应用[A];第九次全国热处理大会论文集（一）[C];2007年

5 憨勇;徐可为;;钛合金微弧氧化(碳氮化)的生物医用改性研究进展[A];第七届全国表面工程学术会议暨第二届表面工程青年学术论坛论文集（一）[C];2008年

6 王琳;任力;王迎军;;微弧氧化纯钛金属表面的细胞外基质化修饰[A];2013广东材料发展论坛——战略性新兴产业发展与新材料科技创新研讨会论文摘要集[C];2013年

7 陈明;马跃洲;马颖;郝远;;镁合金微弧氧化微区放电机理及其对电源的要求[A];2010全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛论文汇编[C];2010年

8 梁军;田军;刘惠文;徐洮;;电解液参数对镁合金微弧氧化的影响[A];甘肃省化学会成立六十周年学术报告会暨二十三届年会论文集[C];2003年

9 李建中;田彦文;邵忠财;;稀土在镁合金微弧氧化中的作用[A];2006年全国冶金物理化学学术会议论文集[C];2006年

10 戴振东;丁红燕;王远;;微弧氧化铝合金在不同环境下的摩擦学行为研究[A];第六届全国表面工程学术会议暨首届青年表面工程学术论坛论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 曹佳音;镁行业5个项目获国家基金支持[N];中国有色金属报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张欣盟;大面积铝合金局部放电微弧氧化及热阻隔膜层制备[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 王艳秋;镁基材料微弧氧化涂层的组织性能与生长行为研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

3 刘世敏;钛表面微弧氧化层的制备及评价[D];天津大学;2011年

4 王晓波;低能耗镁合金微弧氧化电解液设计及添加剂作用机制研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

5 苏培博;镁合金微弧氧化原位生长陶瓷膜及其摩擦行为研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

6 赵晖;镁合金的微弧氧化及真空高能束流处理研究[D];沈阳工业大学;2007年

7 陈明;镁合金微弧氧化微区电弧放电机理及电源特性的研究[D];兰州理工大学;2010年

8 陈宏;AZ91D压铸镁合金微弧氧化工艺及膜层腐蚀行为研究[D];长安大学;2009年

9 潘明强;微弧氧化膜层形成及其表面粗糙度的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

10 杨喜臻;Ti-6Al-4V表面微弧氧化生物陶瓷层及其生物相容性的研究[D];吉林大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 朱其柱;钛合金表面微弧氧化—碱处理复合法制备生物涂层的研究[D];沈阳理工大学;2011年

2 张折;微弧氧化电源波形实现及负脉冲作用研究[D];兰州理工大学;2012年

3 马洁;钛表面微弧氧化生成含羟基磷灰石陶瓷膜的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

4 刘晓刚;数字化镁合金微弧氧化电源可靠性研究[D];兰州理工大学;2009年

5 张晓琳;镁合金微弧氧化/导电复合涂层工艺研究[D];长安大学;2009年

6 台洪波;镁合金微弧氧化一步着色及电解液寿命研究[D];长春理工大学;2009年

7 熊伟;铝合金微弧氧化着色及膜层性能研究[D];沈阳理工大学;2009年

8 全伟;铝合金表面微弧氧化陶瓷膜制备工艺试验设计[D];武汉理工大学;2010年

9 姚建洮;镁合金微弧氧化电源脉冲参数的影响及优化[D];兰州理工大学;2010年

10 王海涛;钛阴极极板微弧氧化及印刷工艺研究[D];兰州理工大学;2010年

本文编号：1223453