人工膝关节模拟试验机及其生物摩擦学性能评价研究进展

人工膝关节生物摩擦学模拟试验是在设计和制造阶段评价人工膝关节假体的主要方法.本文介绍了球面接触型、假体力和运动直接控制型及膝关节肌肉力重建型3类人工膝关节模拟试验机及其对应生物摩擦学研究现状,讨论了3类人工膝关节生物摩擦学试验的要求和特点,详细说明了现有人工膝关节生物摩擦学试验和测试标准,指出今后还需增加动物活体试验方式,扩大模拟人体运动测量范围,并应加强多因素同时作用下人工膝关节磨损机理研究,制定统一的人工膝关节生物摩擦学试验标准.     

乳、恒牙釉质及本质体外摩擦行为的对比研究

采用往复式滑动摩擦磨损试验考察了人体乳、恒牙牙釉质及牙本质在人工唾液润滑下的摩擦学性能.结果表明:人体牙的摩擦磨损行为同其微观结构密切相关;恒牙釉质磨痕表面存在轻微擦伤迹象;乳牙釉质的磨损表面主要呈现裂纹和轻微犁沟,二者都存在腐蚀磨损的现象;乳牙和恒牙本质的摩擦磨损行为相似,磨损明显加剧,磨斑表面呈现严重犁削和剥落特征.     

第21届材料磨损国际会议的总结评述

本文作者总结了第21届材料磨损国际会议概况,对研究最为活跃的滑动磨损、磨粒磨损、腐蚀、润滑、磨损建模与模拟、生物摩擦学以及高分子及高分子基复合材料磨损等研究领域的最新进展进行了评述.基于对本次会议报告的总结和概括,本文作者提出未来可能的研究重点:在生物摩擦学方面与人体疾病相关的组织、器官摩擦学性能值得重点关注;传统摩擦学研究在重现试验现象与总结试验规律的同时,更应深入地分析、归纳和总结其中包含的摩擦学机理;鉴于摩擦学模型对摩擦机理的深入揭示以及对摩擦学实际工程应用的指导,摩擦学建模值得大力发展.     

骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展

骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响.本文作者概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究的试验方案和主要分类,其中按照摩擦方式不同,可将其分为磨粒磨损腐蚀、微动腐蚀、滑动(摩擦)腐蚀、模拟器仿真(摩擦)腐蚀等类型,分析了影响该行为的主要因素,包括摩擦、电化学、材料和溶液因素等.通过调研国内外文献,综述了钛合金、钴铬钼合金和不锈钢三种主要金属材料在微动腐蚀、滑动摩擦腐蚀和模拟器摩擦腐蚀三类损伤模式下的研究现状.接着介绍了钝化膜去除、磨屑颗粒产生和金属离子释放过程,以及摩擦腐蚀耦合损伤机理.最后总结未来应在假体真实工作环境模拟和再现、有机物(如白蛋白)等人体体液中特有物质对植入物耦合行为影响和其他假体如人工椎间盘生物摩擦腐蚀等三个方面开展深入研究.     

实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台设计方法

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征，揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律，保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰，难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能评估，亟需隔离摩擦界面与机械连接部件之间的耦合振动.为此，基于气浮轴承设计了1种可实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台，通过锤击试验以及与非振动解耦摩擦试验机的对比试验，测定并验证了试验台振动解耦功能的有效性.锤击试验表明，未充气状态下在气浮轴承轴套处检测到多个频率，而充气状态下仅有较低的单一频率存在.摩擦学对比试验发现，随着法向载荷或往复滑移频率的增加，振动解耦试验台测得的振动加速度均方根变化率线性增加，而非振动解耦试验机的振动加速度均方根变化率呈先增后减的趋势，存在明显差异.因此，该摩擦学行为模拟试验台成功实现了摩擦界面与机械连接部件之间的振动解耦，为进一步精确探究界面摩擦学行为的影响因素和演变规律、揭示摩擦自激振动产生机理以及在对比评估不同材料摩擦磨损性能时排除摩擦学设备的影响方面提供了新的思路及有效的手段.     

涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状

氢气作为一种清洁、高效、可持续的二次能源,在未来我国终端能源体系占比至少10%,以氢能作为汽车和飞机动力学系统燃料的研究成为热点. 机械运动部件表界面与氢介质将发生复杂的物理化学反应,影响着机械运动接触面的摩擦学行为,使役过程中氢致疲劳、磨损及腐蚀失效行为,严重制约着机械动力部件运行稳定性、可靠性和安全性. 本文中重点调研了国际上氢气气氛环境下机械运动部件材料的摩擦磨损行为研究进展,总结了氢气环境下聚合物基、陶瓷基、金属基及低维度固体颗粒材料的摩擦磨损行为及其损伤失效演变规律,进一步阐述了摩擦工况下氢气和其他气体介质共存与使役材料的摩擦学行为之间的关联性. 从摩擦学角度提出了抑制氢致损伤的可行性关键技术及防护材料,并对未来涉氢机械部件服役安全性的科学问题进行了展望.      

生物油对发动机缸套摩擦学性能的影响

以生物油为研究对象,利用乳化技术对生物油进行提质改性,在发动机缸套-活塞环摩擦磨损试验机上考察了提质前后生物油的摩擦学性能.利用表面轮廓仪,扫描电镜与X-射线光电子能谱仪表征了发动机缸套摩擦表面的微观形貌及化学元素状态,探讨了相关的摩擦磨损机理.结果表明:小球藻生物油比稻壳生物油对缸套-活塞环具有更好的减摩抗磨性能;通过乳化提质方法,可以快速提升生物油的性能;生物油的减摩润滑作用归因于油品中的有机物在缸套表面吸附、摩擦挤压及摩擦沉积形成润滑油膜,局部摩擦熔融形成的"微滚珠",以及在摩擦表面生成的Fe₂O₃及FeOOH氧化膜.此外,小球藻生物油能在摩擦副表面形成含N有机保护膜,这是其具有更好摩擦学性能的重要原因.     

天然牙及几种牙科修复材料的摩擦磨损性能比较研究

在改进的微动摩擦磨损试验台上,模拟人体牙齿摩擦副,考察了天然牙以及牙科用高分子、金属和陶瓷修复材料与GCr15钢对摩的摩擦磨损性能,结果表明：天然牙的摩擦学性能优良;拜尔牙、热固塑料、铜基合金、钛及钛合金是较为理想的牙科修复材料;尤其是钛及钛合金,不但生物相容性优异,而且与天然牙摩擦学性能匹配,是最具有发展前景的牙科修复材料。     

天然生物材料及其摩擦学

评述了几种天然生物材料的特性及其摩擦学研究现状,分析了天然生物复合材料、角蛋白材料、土壤动物体表、植物叶的结构和表面形态及性能,介绍了天然生物材料的摩擦与磨损性能及生物防粘减阻和生物润滑技术,并探索性地提出了摩擦学仿生概念。     

海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望

海洋是人类赖以生存的载体,与人类未来发展休戚与共.海洋科学领域的发展常常依赖于海洋专用材料的研究和展.海洋极端环境下的摩擦磨损是制约海洋材料应用与推广的关键问题之一,主要表现在材料在海洋苛刻环境下的腐蚀行为、电化学腐蚀以及材料在载荷和腐蚀环境下的耦合摩擦学行为.本文中分析了海洋环境的特点及其关键摩擦学问题,阐述了海洋环境下的材料摩擦学的研究内涵,对金属材料、高分子材料、陶瓷材料在海洋环境下的摩擦学问题进行了探讨,并结合海洋材料摩擦学现有研究进展及发展趋势,对海洋环境下的材料摩擦学相关研究前景进行了展望.     

聚乙烯醇水凝胶的生物摩擦学研究进展

介绍了聚乙烯醇水凝胶的制备方法及其物理化学性能,评述了润滑介质、摩擦配副、摩擦运动方式、水凝胶自身特性及载荷和基体材料性质等对聚乙烯醇水凝胶生物摩擦磨损性能的影响,指出今后应加强对多因素协同作用下水凝胶磨损机理、关节运动模拟系统、关节滑液的主要组分润滑协同效应及其润滑机理的研究.     

钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面的切向微动损伤研究

通过体外模拟切向微动行为,探究两种生物固定材料-钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面之间的微动摩擦磨损机理,建立钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与骨组织生物固定界面的微动-松动-骨损伤的关系. 结果表明,界面处于部分滑移区时,弹塑性协调作用起主导,固定界面不易产生松动,皮质骨表面损伤以剥落为主,表面损伤较小. 增大微动位移幅值,界面摩擦系数增大,皮质骨的损伤增大. 同时,划分出了钛珠涂层和羟基磷灰石涂层部分滑移区的工况分界线. 通过对比两种材料的摩擦磨损机理,钛珠涂层与皮质骨界面固定效果较好,羟基磷灰石涂层与皮质骨界面损伤较小. 结果对人工关节生物固定起到一定的参考作用.      

人工关节材料磨屑分离与表征的研究进展

人工关节长期磨损或离解产生的磨屑将引起一系列生物学反应,使关节假体产生无菌性松动进而影响人工关节置换术的长期疗效。研究人工关节假体运动过程中产生的磨屑形态、数量及其产生机理,对提高人工关节的耐磨性和使用寿命具有重要意义。本文中重点阐述人工关节材料磨屑分离与表征的研究进展,并对其发展趋势进行展望。     

基于神经网络的机械磨损故障光谱定位诊断法

在分析常用光谱定位诊断方法的基础上提出了基于神经网络的光谱定位诊断法；将机械摩擦副材质的元素含量作为神经网络输入，将材质所对应的部件作为神经网络输出，建立了相应的神经网络训练样本；通过整理训练样本和训练神经网络，利用神经网络超强的非线性映射能力和容错性实现了磨损故障部位诊断；通过算例分析验证了所提出的诊断方法的可行性和准确性．结果表明，所建立的方法简洁有效，并具有很高的诊断精度．     

人牙釉质在人工唾液润滑下与不同偶件对摩时的摩擦学性能研究

在往复滑动摩擦磨损试验台上对比考察了人牙釉质自配副及其同钛合金和纯钛配副时的摩擦学性能.结果表明:牙釉质/牙釉质的稳态摩擦系数约为1.00,其磨损表面釉柱清晰可见,磨损机制表现为剥落和轻微犁削并存;牙釉质/钛合金的稳态摩擦系数约为0.92,磨损表面既有犁沟又有剥落,可以看到轮廓分明的釉柱;牙釉质/纯钛的稳态摩擦系数约为0.87,磨损表面存在纯钛转移膜.从摩擦系数的变化趋势、稳态摩擦系数的大小、磨损表面形貌和磨痕深度等角度来看,牙釉质/钛合金与牙釉质/牙釉质的摩擦磨损行为较为相似.     

往复滑动摩擦副的消振减磨研究及其机理分析

应用惠更斯原理设计了球-块主动消振式往复滑动摩擦磨损试验机,摩擦副运行过程无系统冲击,通过对比试验得出消振装置能有效消除往复滑动过程中两表面微凸体冲击所形成的摩擦振动,从而使得往复滑动过程中的磨损量和切削磨粒得以减少.从摩擦热力学的角度认为摩擦功可通过外界施加信号主动转换为热能,并分析了摩擦振动与其他磨损影响因素的相关性.     

便携式人体皮肤摩擦性能测试仪的研制

随着对人体皮肤摩擦学特性研究的展开,目前还没有适用的设备对脸颊?额头等不规则形状部位进行测试,本文研制了一种便携式的摩擦性能测试仪,并在不损害皮肤情况下进行人体皮肤摩擦性能测试,结果表明:该测试仪使用方便?性能可靠.在0.2 2N 的接触正压力和10 60nml/S 的滑行速度范围内,皮肤摩擦系数与施加的接触正压力及滑行速度无关.自然状态下,手背?手掌?前臂屈侧?前臂伸侧?前额部位皮肤摩擦系数在性别间的差距较小,但脸颊部位皮肤摩擦系数女性却远大于男性.护肤品处理后,各测试部位皮肤摩擦系数在性别间的差距都有所缩小.     

人牙釉质在柠檬酸介质中的摩擦磨损行为研究

采用往复滑动摩擦磨损试验台,以TC4钛合金球为摩擦偶件,考察了人牙釉质在pH为3.2的柠檬酸介质中的摩擦磨损行为,并与人工唾液介质中的结果进行对比。结果表明：牙釉质在不同介质中的摩擦磨损行为存在显著差异。在柠檬酸介质中,鉴于柠檬酸对牙釉质表面的酸蚀软化和脱矿作用,牙釉质的摩擦系数低于人工唾液介质,但伴随显著波动,磨损机制以黏着剥落为主,磨损体积随循环次数增加几乎呈线性增长,磨损量明显大于人工唾液介质。     

等温淬火球墨铸铁的滚动接触磨损性能研究

将2种等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron, ADI)和合金钢车轮材料分别与合金钢钢轨材料匹配,研究各摩擦副的滚动接触磨损性能.结果表明:与合金钢车轮材料相比,2种ADI材料的磨损性能均有大幅度的改善.硬度低、石墨球直径小且密度大的ADI材料自润滑效果好,相对应的摩擦副抗磨损性能最好;硬度高、石墨球直径大且密度小的ADI材料自润滑效果较差,相对应的摩擦副抗磨损性能居中;合金钢车轮材料不具备自润滑能力,相对应的摩擦副抗磨损性能最差.     

不同管径氧化钛纳米管层的微动磨损性能

利用阳极氧化法在纯钛表面制备了3组平均内径不同的TiO2纳米管层试样,用扫描电子显微镜、硬度仪和轮廓仪对试样表面形貌、显微硬度、纳米硬度和粗糙度进行测试.在大气环境里,以球/平面接触方式,对摩偶件为超高分子聚乙烯球,采用PLINT高精度液压伺服式微动磨损试验机,分别在4种法向载荷下,对试样进行微动磨损试验.结果表明:随法向载荷的增加,同一摩擦副的摩擦系数降低;TiO2纳米管层的存在降低了钛与UHMWPE之间的摩擦系数,在不同载荷下纳米管层表面的摩擦系数均随管径的增大而增大,但低于无纳米管层的对照组;与UHMWPE对摩,TiO2纳米管层有很好的承载、抗剥离和耐磨性能;摩擦副的主要磨损机理为磨粒磨损、UHMWPE塑变导致的表层材料损失.