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超高分子聚乙烯(UHMWPE)具有高的抗冲击性、耐磨性、自润滑性以及优异的生物相容性，广泛地应用于航空、机械和生物医学领域。例如，目前已作为人工关节的主要材料之一。然而，大量的实验和临床医学研究认为，随着置换关节使用年限的增长，人工关节长期摩擦磨损产生的磨屑(主要为UHMWPE)诱发机体细胞产生一系列不良生物学反应，导致关节松动而过早的失效。近年来，改善UHMWPE摩擦学性备受国内外研究者的关注。本文主要以UHMWPE为研究对象，采用高能离子注入技术进行对UHMWPE表面改性，同时间接地改善摩擦副Ti6Al4V性能，研究不同摩擦体系下的摩擦磨损性能，为拓展应用领域提供实验数据，探讨延长人工关节寿命的可能性。这是一项非常有意义的基础和应用研究工作。
本文主要实验内容：1)采用高能离子注入技术对UHMWPE进行不同剂量的Ar+注入。采用OM、AFM、FTIR、显微硬度和纳米压入仪及球坑仪观察、测定和分析改性后试样表面形貌、粗糙度、分子结构、表面显微硬度、弹性模量和抗磨损性能。2)偶件Ti6Al4V表面处理(低温氧化处理和物理气相沉积CrN涂层，并分析、测定处理后试样表面基本特性、相结构、表面显微硬度和抗磨损性能。3)采用盘-销磨损机研究未处理UHMWPE在不同摩擦副下的摩擦磨损行为及磨损机理；研究Ti6Al4V表面处理(低温氧化和物理气相沉积CrN涂层)对UHMWPE磨损性能的影响及磨损机理；研究Ar+注入在不同摩擦副下对UHMWPE摩擦磨损性能的影响及磨损机理。
实验结果表明：
(1)UHMWPE经Ar+注入改性后，表面颜色、形貌和粗糙度发生了变化。随注入剂量的增加，颜色由原来的乳白色而依次变成浅黄色、黄褐色和深褐色；光滑的表面呈现出“浮凸”形貌；粗糙度亦随之依次增大，分别为16.9μm，19.8μm和38μm。表面分子结构亦发生了变化，Ar+注入过程中，高能离子与母相原子的相互作用，以及与氧形成羟基和羰基。同时，分子链间形成了三维网状结构，有效地提高了UHMWPE的表面显微硬度、弹性模量和抗磨损性能，并且呈现出良好的韧性。
(2)Ti6Al4V经低温氧化处理后，表面形成了一层以金红石型TiO2为主的氧化层，均匀致密，呈黄褐色条纹状。氧化表面的颜色、粗糙度发生了变化。PVD CrN涂层亦均匀致密，涂层厚度约为2.15μm。两种表面处理均有效地强化了Ti6A14V表面。氧化后。Ti6A14V与Cr12MoV配副时，其磨损量仅为未处理试样的1.52％。 (3)UHMWPE与316L不锈钢配副时，其磨损率随表面粗糙度增加、或载荷的增加而增加，尤其是机加工表面和高载荷的情况。低温离了氮化316L不锈钢可降低了UHMWPE的磨损率，但因表面粗糙度增加导致摩擦系数略有上升。UHMWPE磨损机制为两体磨粒磨损并伴有一定程度的塑性变形。
(4)UHMWPE与Ti6A14V配副时，UHMWPE出现严重磨损。这可能是由于钛合金表面的“氢脆”化学磨损而导致钛合金严重磨损所引起的。UHMWPE磨损机制主要为三体磨粒磨损，并伴有少量的塑性变形。
(5)表面改性后Ti6A14V能使与之对磨的UHMWPE的磨损量显著减小。低温氧化处理和PVD试样分别为与未处理试样对磨时UHMWPE磨损量的32.4％、35.5％。这主要得益于表面处理后生成的TiO2陶瓷氧化层和CrN涂层有效地抑制“氢脆”的化学磨损。故UHMWPE磨损机理以两体磨粒磨损为主，伴有轻微的塑性变形。
(6)Art注入有效地改善了UHMWPE磨损性能。在与低温离子氮化316L不锈钢配副时，离子注入试样的磨损量低于未处理的试样，且降低的程度随剂量增加而降低。经120km行程后，高剂量注入试样的磨损量为未注入试样的70.7％。在与表面改性后的Ti6A14V，Ar+注入UHMWPE亦表现出高的耐磨性。然而，Ar+注入使UHMWPE的摩擦系数略有升高，并随剂量增加而增大。由于Ar+注入的表面强化作用，磨损表面未呈现出UHMWPE塑性变形的形貌，高剂量注入试样仍保留有注入形貌。