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PEEK复合材料的压缩棘轮和双轴疲劳裂纹扩展行为研究

PEEK复合材料的压缩棘轮和双轴疲劳裂纹扩展行为研究

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作者：刘振铎天津大学

学位级别：硕士

聚醚醚酮(PEEK)凭借其优异的综合性能成功的应用于整形外科植入领域,其在髋关节和膝关节置换术中显示出巨大的应用潜力。然而,它在服役期间仍然面临着高负荷下过度形变以及在应力集中处疲劳断裂的风险,所以临床前的力学性能评估是十分... 详细信息

聚醚醚酮(PEEK)凭借其优异的综合性能成功的应用于整形外科植入领域,其在髋关节和膝关节置换术中显示出巨大的应用潜力。然而,它在服役期间仍然面临着高负荷下过度形变以及在应力集中处疲劳断裂的风险,所以临床前的力学性能评估是十分必要的。本文首先比较了纳米羟基磷灰石(HA)与短碳纤维(CF)掺杂PEEK的拉伸力学性能。采用球磨的方法分别将质量分数为10、20、30%的HA和CF粉末与PEEK粉末均匀混合并模压成型。结果表明:随着粒子填充量的增加,两种复合材料的杨氏模量均有所提升,但CF的增强效果更显著;HA-PEEK的抗拉强度随掺杂量的提高而降低,而碳纤维掺杂PEEK材料(CFR-PEEK)则表现相反;两种复合材料的断裂伸长率都随掺杂量的提高而显著降低,硬度则呈现出相反的趋势。接下来进行了不同CFR-PEEK复合材料的单轴压缩实验,发现当CF含量小于20wt%时,材料的压缩模量和屈服强度随着CF含量的提高而提高,但当继续提高CF含量到30wt%时,上述参数几乎不再变化。微观分析表明,过量的CF掺杂会导致团聚,也会引入更多的缺陷,从而使材料的力学性能下降。进一步考察了CFR-PEEK复合材料的压缩蠕变和棘轮行为。结果表明:CF的掺杂显著提高了材料的抗蠕变性能,并且20wt%CFR-PEEK性能最佳;复合材料的棘轮应变随着应力幅值和应力峰值保持时间的增加而增加,随加载速率和CF含量的提高而降低;材料因为循环硬化而显著受到应力幅值加载历史的影响,而应力速率加载历史对材料的棘轮应变几乎没影响。本文研究了PEEK材料在双轴加载下的疲劳裂纹扩展(FCG)行为,主要包括应力比R、双轴应力比λ以及载荷相位差θ对FCG的影响。研究发现在水平裂纹情况下,PEEK的FCG速率随着R的增加而增加,随λ值的提高而降低。与此同时,还考察了PEEK的裂纹闭合效应,发现用ΔK能够统一描述不同R下材料的FCG行为。在斜裂纹情况下,分别用ΔK和ΔG描述了不同θ下的FCG行为,发现不同断裂参数对实验结果描述的差别较大。此外,对裂纹扩展路径的研究表明90°相位差下裂纹没有出现分叉,而在180°相位差下出现了分叉的裂纹,用三种方法对裂纹偏转角度进行了预测。断口微观分析表明:不同实验条件下试样断口均出现条纹状特征和抛物线型特征,并且随着FCG的进行,这些特征在数量上逐渐增多,尺寸上逐渐变大,随着R的增大,断口表面粗糙度增加。

关键词：聚醚醚酮(PEEK) 羟基磷灰石(HA) 短碳纤维(CF) 压缩棘轮双轴裂纹扩展

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UHMWPE复合材料的棘轮和疲劳裂纹扩展行为研究

UHMWPE复合材料的棘轮和疲劳裂纹扩展行为研究

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作者：王建海天津大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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UHMWPE＜UHMWPE/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。

关键词：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

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镁合金的腐蚀疲劳与裂纹扩展研究

镁合金的腐蚀疲劳与裂纹扩展研究

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作者：蒙俞先天津大学

学位级别：硕士

镁合金是一种极具临床应用潜力的可降解生物材料,它具有良好的生物相容性,细胞相容性,生物可降解性和力学性能。作为体内植入物的镁合金在人体内承受着体液腐蚀和循环载荷的共同作用,从而加速了镁合金的失效。因此,研究镁合金的腐蚀、... 详细信息

镁合金是一种极具临床应用潜力的可降解生物材料,它具有良好的生物相容性,细胞相容性,生物可降解性和力学性能。作为体内植入物的镁合金在人体内承受着体液腐蚀和循环载荷的共同作用,从而加速了镁合金的失效。因此,研究镁合金的腐蚀、腐蚀疲劳和裂纹扩展,对加快镁合金的临床应用具有重要意义。基于镁合金临床实际应用所面临的力学问题,本文共进行了两部分研究。第一部分是基于人体体液pH值实际会发生的变化对镁合金AM60进行了电化学腐蚀和腐蚀疲劳研究,研究通过腐蚀和力学性能测试辅之以失效微观分析。结果表明:不同p H值模拟体液下镁合金AM60腐蚀速率顺序为p H 5.2>p H 7.4>p H 9.0;不同p H值模拟体液下镁合金AM60腐蚀疲劳寿命的顺序为p H 5.2裂纹萌生于氧化物颗粒处;而在腐蚀环境下,二次裂纹为镁合金裂纹萌生处,氢脆是影响AM60腐蚀疲劳裂纹萌生的主要因素。第二部分是基于体内植入物应力集中部位容易产生初始裂纹的实际特点,开展了镁合金ZK60双轴裂纹扩展实验,考察了载荷相位差和应力比的影响,采用有限元计算,力学实验和失效微观分析等手段。结果表明:镁合金ZK60在90°相位差和180°相位差的加载条件下,裂纹扩展角度分别为42°和54°,并且有限元模拟结果和实验值能较好地吻合;在载荷存在相位差的条件下,不同断裂参数下的镁合金ZK60裂纹扩展速率差别较大,能量释放率范围ΔG同时考虑了K和K的影响,因此能够更合理的描述裂纹扩展速率;ΔK和ΔG能够统一描述不同应力比下镁合金ZK60双轴裂纹扩展速率;断口分析表明,在不同应力比条件下,镁合金ZK60平面双轴裂纹扩展机理为面内滑移,而在存在相位差的加载条件下,裂纹扩展机理为波浪形滑移。

关键词：镁合金腐蚀疲劳电化学腐蚀双轴裂纹扩展失效机理

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