碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其摩擦磨损性能研究

论文摘要

超高分子聚乙烯(UHMWPE)用于人工髋、膝等关节置换材料已有50多年的历史,然而在长期的临床应用中发现,UHMWPE易于产生磨屑,从而诱导关节假体晚期产生无菌松动,降低了人工关节的使用寿命。因此迫切需要研究一种新型的假体材料,而碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)作为一种理想的人工关节替代材料,以超强的力学性能、优良的耐磨损性能以及良好的生物相容性和力学相容性逐渐受到科学家们的青睐。本文研究了碳纤维填充改性PEEK复合材料的生物摩擦学性能。利用真空热压炉采用模压成型法制备了不同配比和种类的CF/PEEK复合材料试样,对复合材料的力学性能(浸润性能、洛氏硬度和压缩性能)进行测试,并利用红外吸收光谱评价其分子结构及结晶状况。另外,采用往复摩擦磨损实验机和人工膝关节摩擦磨损实验机探讨了碳纤维添加量、长度、表面氧化处理和润滑剂对PEEK及其复合材料摩擦学磨损性能的影响,通过摩擦过程收集到的数据计算出CF/PEEK复合材料的摩擦系数和磨损率,并根据磨损表面的形貌研究其磨损机制,从而得出最佳的改性参数。实验的结果证明,CF/PEEK复合材料浸润性的改善程度与碳纤维的添加量和表面氧化处理有一定的关联性,而与碳纤维的长度没有关系。碳纤维的填充能够提高PEEK复合材料的硬度和压缩强度。红外吸收光谱表明,CF/PEEK复合材料的结晶结构没有发生改变,只是填充后复合材料的结晶度增加,碳纤维氧化后增加了极性官能团—羰基。碳纤维的添加量、长度和表面的氧化处理对CF/PEEK复合材料的摩擦磨损性能都有一定的影响,其中添加量的影响最为明显,表面氧化处理次之,长度最小。当碳纤维的添加量为15%时,摩擦系数和磨损率达到最小值,磨损率约为纯PEEK的八分之；表面氧化处理后的CF/PEEK复合材料的摩擦系数和磨损率与未氧化的CF/PEEK复合材料相比大约分别减小了0.01和0.5左右；长度为2mm的CF/PEEK复合材料的耐摩擦磨损性能略优于长度为1mm的CF/PEEK复合材料。小牛血清的润滑性能最为优良,生理盐水次之,蒸馏水最差,但是在生理盐水润滑条件下,复合材料的摩擦系数变化幅度最大且不稳定。CF/PEEK复合材料与PEEK的磨损机制都主要有粘着磨损和轻微的磨粒磨损。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PEEK的性能及应用
• 1.2.1 PEEK的性能
• 1.2.2 PEEK的应用
• 1.3 PEEK的改性方法
• 1.3.1 纤维增强改性PEEK
• 1.3.2 无机填料填充改性PEEK
• 1.3.3 聚合物共混型PEEK
• 1.4 碳纤维的表面氧化处理
• 1.5 CF/PEEK复合材料的性能研究
• 1.5.1 力学性能
• 1.5.2 摩擦学性能
• 1.5.3 生物相容性能
• 1.5.4 力学相容性能
• 1.5.5 临床研究
• 1.6 本文研究的内容和意义
• 1.6.1 本文研究的内容
• 1.6.2 本文研究的意义
• 2 实验材料与试样制备
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 PEEK
• 2.1.2 碳纤维（CF）
• 2.1.3 CoCrMo合金
• 2.1.4 乙二醇/乙醇
• 2.1.5 润滑剂
• 2.2 实验方案
• 2.3 试样制备
• 2.3.1 制备原理
• 2.3.2 混料
• 2.3.3 模具设计
• 2.3.4 压制成型
• 2.4 本章小结
• 3 CF/PEEK复合材料的基本性能研究
• 3.1 CF/PEEK复合材料润湿性（浸润性）的研究
• 3.1.1 接触角的测试原理
• 3.1.2 样品准备
• 3.1.3 实验步骤
• 3.1.4 实验数据处理及分析
• 3.2 CF/PEEK复合材料洛氏硬度的研究
• 3.2.1 塑料洛氏硬度的测试原理
• 3.2.2 试样准备
• 3.2.3 实验步骤
• 3.2.4 实验数据处理及分析
• 3.3 CF/PEEK复合材料压缩性能的研究
• 3.3.1 压缩性能的测定原理
• 3.3.2 实验步骤
• 3.3.3 实验数据处理及分析
• 3.4 CF/PEEK复合材料红外吸收光谱的检测
• 3.4.1 红外吸收光谱的工作原理
• 3.4.2 试样准备
• 3.4.3 红外光谱结构讨论与分析
• 3.5 本章小结
• 4 CF/PEEK复合材料的生物摩擦性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 往复摩擦磨损实验
• 4.2.1 往复摩擦磨损实验设备和实验条件
• 4.2.2 样品准备
• 4.2.3 往复摩擦磨损实验过程
• 4.2.4 摩擦系数和磨损率的测量
• 4.2.5 磨痕表面形貌的检测
• 4.3 摩擦磨损实验结果讨论与分析
• 4.3.1 摩擦系数的结果讨论与分析
• 4.3.2 各试样在摩擦磨损实验前后摩擦系数大小的分布
• 4.3.3 各试样在摩擦磨损实验前后平均摩擦系数的变化
• 4.3.4 磨损率的结果讨论与分析
• 4.4 人工膝关节摩擦磨损实验
• 4.4.1 人工膝关节摩擦磨损实验和实验条件
• 4.4.2 试样准备
• 4.4.3 人工膝关节摩擦磨损实验过程
• 4.4.4 磨损实验结果讨论与分析
• 4.5 磨损表面形貌分析及磨损机理
• 4.5.1 试样磨损表面形貌分析
• 4.5.2 磨损机理分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献