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碳纤维(CF)因其优异的性能成为当前最热门新材料之一,被广泛应用到多种领域。本文通过碳纤维(CF)填充对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行了改性研究,利用热压成型法制备了UHMWPE和CF/UHMWPE复合材料。在此基础上,通过模拟自然关节的结构,根据仿生学原理,制备了CF/UHMWPE仿生人工关节材料。利用金相显微镜、SEM、XPS、接触角等检测手段对碳纤维表面形貌和化学组分、CF/UHMWPE复合材料的显微结构及组织成分进行了表征。系统地研究了CF/UHMWPE生物复合材料的力学性能和摩擦学性能。得出以下结论:1.通过SEM和XPS分析结果表明碳纤维经过浓硝酸氧化处理后增加了其表面粗糙度以及活性官能团的种类和浓度。经接触角测试分析得知,氧化后的碳纤维表面亲水性明显提高,为CF与UHMWPE两相间形成良好的界面结合提供了有利条件。通过对CF/UHMWPE复合材料的显微形貌与结构观察可知,随着碳纤维含量的增加,碳纤维在复合材料中逐渐出现团聚和脱粘,碳纤维的分散性随之降低。改性后碳纤维在UHMWPE基体中分散性明显优于未改性碳纤维在UHMWPE基体中的分散性,且碳纤维产生团聚和未浸润等不良现象机率明显减少。2.通过对CF/UHMWPE复合材料力学性能研究表明,复合材料的拉伸强度和弹性模量都随碳纤维含量的增加而增强,分别由29.20MPa和1.30GPa逐渐增加到125.34MPa和4.792GPa。而复合材料的弯曲强度和模量随碳纤维的增加呈现出先上升后下降的变化趋势。当碳纤维含量达到30wt%时,复合材料的弯曲强度和模量分别达到最大值157.61MPa和9.815GPa。此外,随着碳纤维含量的增加,复合材料的断裂模式逐渐由塑性断裂转变为脆性断裂。3.UHMWPE生物摩擦学性能测试结果表明,316L不锈钢球与UHMWPE对磨时,在干摩擦条件下,摩擦系数随载荷增加而增大;摩擦系数随滑动速度和不锈钢直径的增加呈现出先下降后上升的变化趋势。当转速为100r/min时,UHMWPE的摩擦系数达到最小;不锈钢球径为16 mm时,摩擦配副的摩擦系数达到最小值;在水、模拟体液、小牛血清以及透明质酸钠四种润滑液中,UHMWPE的摩擦系数在水润滑条件下达到最低值0.033左右;其次为透明质酸钠溶液,在模拟体液中的摩擦系数最高。润滑剂有效的促进了摩擦热消散,减少了摩擦副间的粘着阻力,此时UHMWPE的摩擦机制以疲劳磨损为主,而在模拟体液中并产生了明显的磨粒磨损。4.根据对CF/UHMWPE复合材料的摩擦性能的研究表明,在干摩擦条件下,CF/UHMWPE复合材料的摩擦系数明显大于UHMWPE的摩擦系数,且CF/UHMWPE的摩擦系数随碳纤维含量的增加而增大,当复合材料中碳纤维含量由0增加至40wt%时,摩擦系数值由0.086逐渐增加到0.142。在水润滑条件下,CF/UHMWPE复合材料的摩擦系数随碳纤维含量的增加而先减小后上升,在碳纤维填充量达到20wt%时,摩擦系数最低,其值为0.021;在不同的润滑剂条件下,CF/UHMWPE复合材料在透明质酸钠溶液中的摩擦系数最低,材料的平均摩擦系数基本稳定在0.026,其次为去离子水,而其摩擦系数在模拟体液润滑介质中最高,其值为0.052;此外,碳纤维经表面改性后,可有效降低CF/UHMWPE复合材料的摩擦系数。5.采用化学改性处理与冷冻-解冻相结合技术制备了PVA凝胶-CF/UHMWPE仿生人工关节材料。通过衰减全反射红外测试(ATR)对材料表面进行分析可知,经过重铬酸盐氧化后,增加UHMWPE表面的含氧官能团,改善了材料表面的亲水性。通过PVA的接枝反应后,PVA为UHMWPE表面提供了大量的羟基,进一步增加了材料的亲水性。经剪切测试表明,PVA水凝胶与材料形成良好的界面结合,具有较强的界面剪切强度。摩擦学性能测试结果表明,仿生人工关节材料在干摩擦条和水润滑条件下的摩擦系数相差甚微,而随着滑行距离的延长,干摩擦条件下的摩擦系数急剧增加。且在水润滑条件下的摩擦系数最高,而在透明质酸钠溶液中的摩擦系数最低,低至0.01左右。