UHMWPE复合材料的棘轮和疲劳裂纹扩展行为研究

作     者：王建海 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高红

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超高分子量聚乙烯 羟基磷灰石 纳米碳纤维 单轴棘轮 粘塑性本构模型 双轴裂纹扩展 

摘      要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种综合性能十分优异的生物材料,它作为人工关节的衬垫材料在临床上得到了十分广泛的应用,但其在人体内服役期间往往会出现磨损、过度变形或疲劳断裂等问题,这会严重影响材料的服役寿命。本文采用纳米填充改性的方法对超高分子量聚乙烯进行改性处理,分别将质量分数为0、3、5、10%的纳米羟基磷灰石（HA）和纳米碳纤维（CNF）与UHMWPE混合均匀并模压成型,且将两种改性条件下得到的复合材料的力学性能及微观形貌进行对比。研究发现:随着HA和CNF含量的增加,复合材料的硬度略有提升,弹性模量有所增加,而抗拉强度和断裂延伸率会降低,屈服强度没有明显的变化。通过SEM观测发现纳米粒子在UHMWPE基体中分布较为均匀,但HA与基体材料结合强度较差。UHMWPE/CNF复合材料综合性能要优于UHMWPE/HA复合材料。进一步研究了两种复合材料在不同平均应力、应力幅值、应力率和纳米粒子含量下的棘轮行为,并分析了棘轮行为产生差异的原因。研究发现:复合材料的棘轮应变和应变率随平均应力和应力幅值的增加而增加,然而随应力率和纳米粒子含量的增加而降低;在相同载荷条件下,UHMWPE/HA复合材料的棘轮应变和棘轮应变率均明显大于UHMWPE/CNF复合材料。在实验的基础上,本文提出了一个改进的粘塑性本构模型,能够很好地对复合材料的棘轮行为进行预测。本文研究了不同改性条件对复合材料双轴裂纹扩展行为的影响,研究发现在水平裂纹情况下,UHMWPE/HA复合材料的抗疲劳裂纹扩展性能最差,而UHMWPE/CNF复合材料的抗疲劳裂纹扩展性能较好。因此实验选用UHMWPE/CNF复合材料进一步研究不同应力比、相位差和加载路径对复合材料双轴疲劳裂纹扩展行为的影响。研究发现随着应力比的增加复合材料的双轴疲劳裂纹扩展速率明显的增加;同时相位差明显增加了复合材料的双轴疲劳裂纹扩展速率。在斜裂纹情况下,三种不同改性条件下的复合材料疲劳裂纹扩展速率大小顺序为:UHMWPE/CNF纯UHMWPEUHMWPE/HA。复合材料在不同路径下双轴疲劳裂纹扩展速率大小顺序为:比例圆形路径方形路径单轴路径。