超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)具有优良的化学稳定性、生物相容性、耐磨损性能和较低的摩擦系数,是一种理想的人工关节材料。然而,在人体长期服役过程中,氧化、磨损产生大量磨粒,易引起骨质溶解,发生关节松动,最终导致关节失效。为了延长人工关节的使用寿命,减轻病人的痛苦,提高UHMWPE的力学性能和耐磨损性能,已经成为UHMWPE研究中迫在眉睫的课题。本论文采用填充纳米粒子氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)和辐照交联相结合的技术制备高性能的UHMWPE复合材料,研究了辐照及老化处理对复合材料的结构、力学和摩擦学性能的影响,并探讨了其微观机理。这些研究为将来UHMWPE/GO复合材料在人工关节的应用提供了重要的理论和实验依据。(1)通过改进的Hummers法制备GO,在真空条件下,采用100 kGy的剂量对氧化石墨烯(GO)进行Gamma射线辐照。通过XRD、FTIR、ESR、XPS、TGA、接触角对辐照前后的氧化石墨烯(GO)的结构、热稳定性和湿润性进行了表征和研究,并探讨了GO还原机理。研究结果表明,辐照使GO表面的化学键发生断裂,减少了官能团的含量,增加了表面缺陷,改变了碳氧比,导致GO被部分还原。真空辐照增加GO自由基浓度,并在空气中呈指数衰减规律。辐照降低了GO的湿润性,却提高了热稳定性。辐照还原GO的机理为高能粒子导致碳氧键发生断裂,并在断裂处形成碳碳双键。(2)在真空条件下,采用100kGy的剂量对UHMWPE/GO进行Gamma射线辐照,然后将试样置于80℃空气炉中加速老化21天。通过Raman、XRD、FTIR、ESR、TGA、DSC、凝胶含量、接触角对辐照及老化UHMWPE/GO的结构、热学性质和湿润性进行了表征和研究,并探讨了微观机理。研究结果表明,辐照UHMWPE/GO与辐照UHMWPE的凝胶含量基本一致,说明填充GO对UHMWPE的凝胶含量没有影响;但老化UHMWPE/GO的凝胶含量显著下降。辐照及老化提高了UHMWPE/GO的湿润性、结晶度、熔点,但降低了热稳定性。辐照UHMWPE/GO初始自由基主要是由烯丙基自由基和GO自由基叠加而成;在空气中老化,UHMWPE/GO自由基是由过氧化自由基和GO自由基叠加而成;加速老化后,UHMWPE/GO自由基主要是GO自由基。加速老化导致UHMWPE/GO发生氧化降解反应,生成以酮为主的氧化产物,并且氧化指数与老化UHMWPE基本一致,说明GO的抗氧化能力比较弱。(3)通过球压痕、压缩、拉伸、划痕实验对辐照及老化UHMWPE/GO的力学性能进行了研究,并探讨了GO增强机理。研究结果表明,辐照和GO能协同增强UHMWPE的力学性能,但老化降低了复合材料的力学性能。辐照及老化导致UHMWPE/GO变脆,降低了复合材料的韧性。老化UHMWPE/GO的硬度、压缩模量、抗划痕能力高于老化UHMWPE,说明GO能抑制UHMWPE的力学性能降低。GO增强机理是GO能在基体中承载并转移应力,GO在基体中承载的界面剪切应力与自身的尺寸有密切关系。(4)采用往复式摩擦磨损试样机,在干摩擦、去离子水、生理盐水和小牛血清润滑介质下对辐照及老化UHMWPE/GO的摩擦学性能进行了研究,观察了磨损形貌并探讨了磨损机理。研究结果表明,辐照增强了UHMWPE/GO的耐磨损性能,老化却降低了复合材料的耐磨损性能。老化UHMWPE/GO磨损率比老化UHMWPE要低,说明GO能抑制UHMWPE耐磨性的降低。在干摩擦和不同润滑介质中,辐照及老化UHMWPE/GO的摩擦系数大小次序为:干摩擦>小牛血清>生理盐水>去离子水;磨损率大小次序为:小牛血清>干摩擦>生理盐水>去离子水。不同处理的UHMWPE/GO的磨损率大小次序为:老化>未辐照>辐照。在干摩擦时,辐照及老化UHMWPE/GO的磨损形式主要是粘附磨损和疲劳磨损为主;在生理盐水润滑条件,主要是磨粒磨损为主;其它液相润滑条件下,主要是疲劳磨损和磨粒磨损为主。辐照增加UHMWPE的交联度和GO与UHMWPE的相互作用,有效的发挥了GO增强的作用,提高了复合材料抵抗疲劳磨损的能力,减少了磨损中的剥落和转移。老化使UHMWPE发生氧化降解,并导致UHMWPE和GO相互作用下降,降低了复合材料抵抗疲劳磨损的能力,导致磨损率增加。