人工髖關(guān)節(jié)表面仿生設(shè)計(jì)及其摩擦潤(rùn)滑特性研究.pdf

1、近年來(lái)，研究者對(duì)如何提高人工髖關(guān)節(jié)摩擦學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究，表面織構(gòu)的發(fā)展也對(duì)此起到了很大的促進(jìn)作用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，甲蟲鞘翅具有獨(dú)特非光滑結(jié)構(gòu)，研究表明，其在減摩、潤(rùn)滑方面性能優(yōu)異，因此逐漸開(kāi)始應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)。本文利用超景深顯微鏡對(duì)鞘翅表面進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同鞘翅表面具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，主要包括刻點(diǎn)、多邊形“鱗片狀”結(jié)構(gòu)、“眼狀”凹坑以及分布廣泛的微小凹坑結(jié)構(gòu)，并從中提取了圓形凹坑結(jié)構(gòu)和正六邊形凸起結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。
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2、文利用Matlab編程的方法，建立了平面對(duì)磨條件下流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的理論模型，通過(guò)研究?jī)煞N織構(gòu)作用下油膜壓力的分布情況，發(fā)現(xiàn)兩種織構(gòu)均能產(chǎn)生一定的油膜承載力，而圓形凹坑織構(gòu)的摩擦系數(shù)小于正六邊形凸起織構(gòu)。通過(guò)微細(xì)制造加工技術(shù)，經(jīng)過(guò)拋光、光刻、電鑄工藝分別制作出具有圓形凹坑、正六邊形凸起結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印模板，然后通過(guò)熱壓轉(zhuǎn)印工藝，將織構(gòu)形貌復(fù)制到超高分子量聚乙烯材料(UHMWPE)上。圓形凹坑織構(gòu)的具體參數(shù)為：直徑約為100μm，深度約為5μm，面

3、積率10.4％；六邊形表面織構(gòu)的參數(shù)為：邊長(zhǎng)約為55μm，高度約為5μm，面積率為10.4%。分別對(duì)三種試樣進(jìn)行球面對(duì)磨形式的摩擦學(xué)試驗(yàn)，以多次實(shí)驗(yàn)的摩擦系數(shù)平均值作為判斷依據(jù)，并結(jié)合理論研究結(jié)果，確定了圓形凹坑織構(gòu)為最佳設(shè)計(jì)方案。建立了人工髖關(guān)節(jié)球面彈流潤(rùn)滑模型，利用多重網(wǎng)格法進(jìn)行數(shù)值求解，分析了在無(wú)織構(gòu)條件下的潤(rùn)滑膜壓力的分布以及最小膜厚值，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)球窩模型下的最小油膜厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了本