ZTA陶瓷表面织构制备及其摩擦学增强效应研究

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当今社会人口老龄化问题严重,车祸等意外事故频发,导致越来越多的人饱受关节性病痛的折磨。由于普通药物难以完全治愈,人工关节置换成为治疗关节性疾病最有效的途径。陶瓷材料例如ZrO2和Al2O3由于其强度高、化学稳定性和耐腐蚀性能优异被作为一种广泛使用的人工关节材料,但陶瓷材料是一种脆性材料且导致其摩擦学性能受到一定的影响。本论文通过在陶瓷材料表面进行表面织构构筑,来改善陶瓷材料的摩擦学性能,扩大其在人工关节领域的应用。本文利用热压烧结法制备了具有优异力学性能的25 wt.%ZrO2(3 mol.%Y2O3)增韧Al2O3陶瓷(ZTA),同时对ZTA陶瓷组织结构、力学性能进行了表征,还研究了其摩擦学性能。利用光纤激光器在ZTA陶瓷表面进行圆孔型织构构筑,并探索激光功率,激光调Q频率、雕刻速度及脉冲宽度对圆孔型织构尺寸以及热影响区厚度、圆度和锥度的影响。依据织构质量的分析,当激光功率为12 W,激光调Q频率为50 kHz,雕刻速度为1000 mm/s,脉冲宽度为45 ns时,可以获得直径约为95μm和深度约为20μm的圆孔型织构,此时圆孔的热影响区厚度为13.5μm,圆度为0.88,锥度为0.6。并利用上述激光加工工艺参数在ZTA陶瓷表面加工了织构面积百分比分别为6%、12%、32%和45%的圆孔型织构阵列。在干摩擦条件下,研究了不同织构面积百分比(0%、6%、12%和32%)对ZTA陶瓷与Al2O3销对磨时摩擦学性能的影响的ZTA陶瓷进行摩擦学测试。当载荷为40 N时,随着织构面积百分比的增加,ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率相应增加,摩擦系数从0.48升高到0.62,磨损率从7.8×10-9mm3/Nm增加到1.2×10-8mm3/Nm,织构并没有起到减磨的作用。当载荷为70 N时,随着织构面积百分比的增加,ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率先减小后增大,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.73,磨损率为9.2×10-44 mm3/Nm,织构面积百分比为12%时ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率都降低到最小值分别为0.49和4.9×10-5mm3/Nm。当载荷继续增大到100 N时,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.50,磨损率为3.8×10-7mm3/Nm,织构面积百分比为6%时,ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率都降低到最小分别为0.47和8.5×10-8mm3/Nm。载荷为70 N和100 N时,ZTA陶瓷表面的圆孔型织构通过收集磨屑,减少摩擦过程中磨屑产生的犁削作用,有效的抑制了陶瓷表面的脆性断裂,改善ZTA陶瓷的摩擦学性能。在模拟关节滑液条件下,对织构面积百分比分别为0%、6%、12%、32%和45%的ZTA陶瓷与Al2O3对磨时的行为。当载荷为40 N时,ZTA陶瓷的摩擦系数随织构百分比的增加而减小,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.202,织构面积百分比为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值为0.166。当载荷增大到70 N时,随着织构面积百分比的增加摩擦系数出现先增加后降低的现象,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.186,织构面积为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值为0.175。当载荷继续增加到100 N时,随着织构面积百分比的增加摩擦系数同样出现先增加后降低的现象,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.192,织构面积为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值大约为0.178。在模拟关节滑液润滑条件下,表面织构可以储存润滑液,同时提供一定的承载力,从而改善ZTA陶瓷的摩擦学性能。
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