PEEKCoCrMo的扭动微动磨损行为研究
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氧化锆陶瓷 球:￠ 5mm
PEEK盘：￠30mm×7mm
F: 30N T: 3600s
中国矿业大学徐海学院
压痕蠕变特性
压痕深度
100
80 70 60
1 PEEK 2 UHMWPE
90
PEEK UHMWPE
1
压痕深度/um
80 70 60 50 40 30
78.9
压痕深度/um
50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
人工关节摩擦副
中国矿业大学徐海学院
表面性能测试材料
PEEK 物理和力学性能 指标 抗压强度(MPa) 值 22~44 UHMWPE物理和力学性能 指标 夏比冲击强度(KJ/㎡) 极限抗拉强度 (Ma) 抗拉屈服强度 (MPa) 断裂伸长率(%) 值 103 55 21.6 402
弹性模量(Ma)
缺口冲击强度(KJ/㎡) 抗拉屈服强度 (MPa) 断裂伸长率(%)
中国矿业大学徐海学院
θ=5°
扭动微动磨损机理
扭动角度的影响
中心区域形貌
边缘部分形貌
PEEK外侧磨痕形貌 1000x
中国矿业大学徐海学院
对磨副Co-Cr-Mo外侧形貌 1000x
扭动微动磨损机理
θ=10°
扭动角度的影响
中国矿业大学徐海学院
扭动微动摩擦磨损特性
θ=3°
100 500 1000 5000 10000 15000 100 500
扭动微动摩擦磨损特性
扭动角度的影响
10 o 3 o 1
0.2
o
扭 矩
0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
循环 次数 ,×103
中国矿业大学徐海学院
扭动微动磨损机理
扭动角度的影响
θ=1°
PEEK外侧磨痕形貌 1000x
对磨副Co-Cr-Mo中心形貌 100x
θ=3°
Co-Cr-Mo中心稍外侧 100x
100 500 1000 5000 10000 15000
循环次数的影响
0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
θ=10°时，PEEK端面扭 动的摩擦扭矩时变曲线
0.22 0.20 0.18 0.16
0.00 -0.05 -0.10
扭 矩
-0.15 -0.20
-10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10
中国矿业大学徐海学院
扭动微动磨损机理
循环次数的影响
100倍
500倍中心区域
中心区域
500倍 边缘区域
500倍 边缘区域
边缘部分
中国矿业大学徐海学院
扭动微动摩擦磨损特性
F=118N
100 500 1000 5000 10000 15000 100 500 1000
扭动角度的影响
5000 10000 15000
0.1
0.0
4000
时 间/s
PEEK和UHMWPE的蠕变柔量随压入时间的变化曲线 UHMWPE为线型结构的聚合物，主链很长且相互缠结，而PEEK的大分 子链上含有刚性的苯环及提高分子间作用力的羰基, 且结构规整,使得其分 子链段的活动能力较低，尺寸稳定性好，蠕变程度较小
中国矿业大学徐海学院
-1 PEEK 蠕变 柔量 D(t)/GPa
外加载荷的影响
1000
5000
10000
15000
0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3
F=370n
外加载荷的影响
中心区域 形貌
PEEK外侧磨痕形貌 500x 边缘部分形貌
对磨副外侧形貌 500x
中国矿业大学徐海学院
扭动微动磨损机理
F=470n
外加载荷的影响
中心区域 形貌
PEEK外侧磨痕形貌 500x
边缘部分形貌
对磨副外侧形貌 500x
中国矿业大学徐海学院
结论
从PEEK的表面性能测试实验得出：PEEK的抗蠕变性能远优于 UHMWPE，其球压痕深度约为UHMWPE的1/13；PEEK对水的表 面接触角为88.45°，具有较好的表面润湿性；PEEK在吸水前后的 硬度降低百分比UHMWPE要低，为0.4734%。综合比较PEEK比 UHMWPE的性能更加优良。 对于PEEK/CoCrMo的扭动微动磨损行为研究，实验得出：当外加 载荷一定时，随着扭动角位移幅值的增大，摩擦表面受到的交变应 力作用增强，材料的损伤逐渐加重，接触界面发生明显的金属粘着 和PEEK物料转移，表面犁沟和剥落的尺寸增大，数量增多。当扭 动角位移幅一定时，法向载荷较小时，磨损表面为轻微的磨粒磨损 和粘着磨损，随着外加载荷的增加，T-θ曲线摩擦扭矩值随之升高， PEEK磨损表面划痕明显加深、数量增多，且表面疲劳剥落程度加 重，剥落坑尺寸也随之增大。说明载荷的增加直接影响接触表面的 磨损量。
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10
角度
角度
θ=5°
θ=10°
PEEK的端面扭动T-θ曲线，F=118N°
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生 物 摩 擦 副
人 工 关 节 置 换
有效的重建关节功能，达到缓解疼痛、稳定关节、 矫正畸形等目的，进而提高患者的生活质量
中国矿业大学徐海学院
研究背景
聚醚醚酮（PEEK）
金 属 聚 合 物 陶瓷/陶瓷 陶瓷/聚合物 / 金属/金属
1.加工性能优异 2.良好的生物相容性 3.耐化学药品性 4.熔点高、强度高 5.与骨骼弹性模量相近，无应力屏蔽 6.具有放射线透过性，磁共振扫描不 产生伪影的优越特性，极佳的耐辐照 性 已用于脊柱、关节等方面
吸水前 硬度/HD 吸水后硬度/HD
100
吸水前 质量 吸水后质量
8.58034 8.58344
80
92.44
92.00
8 5.54024 5.54101
硬度/HD
70.25
69.00
质量/g
6
60
4
40
2
20
0
UHMWPE
PEEK
0
UHMWPE
PEEK
实验材料
实验材料
吸水前质量 吸水后质量
吸水率
吸水前硬度
4400
4 114 12
中国矿业大学徐海学院
表面润湿性
JC2000C-3型静滴接触润湿角测定仪测定表面润湿性
PEEK样品的接触角
UHMWPE样品的接触角
PEEK的大分子链上含有的醚键及羰基均为极性基团，即为亲水基团
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吸水率
UHMWPE与PEEK吸水前后质量对比
10
UHMWPE与PEEK吸水前后硬度对比
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THANK YOU !
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0.20 0.15 0.10 0.05 0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3
0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10
-1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1
0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6
角度
角度
θ=1°
100 500 1000 5000 10000 15000 100 500 1000 5000
θ=3°
10000 15000
扭动微动摩擦磨损特性
扭动微动试验装置示意图
(1)垂向电机，(2)垂向导轨，(3)水平电机，(4)水平导轨，(5)六维力功 矩传感器，(6) 上夹具，(7) 上试样（Co-Cr-Mo销），(8) 下夹具，(9) 下试样(PEEK盘)，(10) 高精度低速电机，(l1) 固定装置
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扭动微动摩擦磨损特性
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0 2 4 6 8 10 12
3
角度
14
16
18
θ=10°时，PEEK端面扭动T-θ曲线
循环 次数 ,×10
T-θ曲线始终为平行四边形,摩擦扭矩随着循环次数的增加逐渐增加，约在10000次循环
时达到稳定，稳定扭矩值为0.20N.mm。10000个周期之后，扭动进入稳定磨损期，平行 四边形的形状变化很小，扭动运行于完全滑动状态。
吸水后硬度
硬度降低率
UHMWPE PEEK
5.54024 8.580342
5.54101 8.583438
0.01390% 0.03608%
UHMWPE PEEK
70.25 92.44
69.00 92.00
1.7794% 0.4734%
质量：g
硬度：HD
中国矿业大学徐海学院
压痕蠕变特性
UMT–Ⅱ
UHMWPE盘：￠30mm×7mm
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5
-2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
扭 矩
角度
角度
F=118N
100 500 1000 5000 10000 15000
PEEK/CoCrMo的扭动微动磨损行为研究
材料09-1班 崔文
研究背景 表面特性 表面润湿性、吸水率、压痕蠕变特性 摩擦磨损特性 循环次数、扭动角度、法向载荷 磨损机理 结论
中国矿业大学徐海学院
研究背景
灵活的多方向活动能力 完成旋转、曲伸等复杂动作 承受一定的压、拉、屈、折等负荷
F=370N
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5
-2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
扭 矩
角度
F=470N
中国矿业大学徐海学院
扭动微动磨损机理
2
20 10 0
5.9
时 间/s
实验材料
PEEK和UHMWPE试样的压入深 度随压入时间的变化曲线
保压1h后 PEEK和UHMWPE试样 的压入深度
中国矿业大学徐海学院
压痕蠕变特性
蠕变柔量
-1 UHMWPE 蠕变Байду номын сангаас柔量 D(t)/GPa
2.0 UHMWPE
0.5 0.4
1.5
0.3
1.0
0.2
0.5 PEEK 0.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
PEEK盘：￠30mm×7mm
F: 30N T: 3600s
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压痕蠕变特性
压痕深度
100
80 70 60
1 PEEK 2 UHMWPE
90
PEEK UHMWPE
1
压痕深度/um
80 70 60 50 40 30
78.9
压痕深度/um
50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
人工关节摩擦副
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表面性能测试材料
PEEK 物理和力学性能 指标 抗压强度(MPa) 值 22~44 UHMWPE物理和力学性能 指标 夏比冲击强度(KJ/㎡) 极限抗拉强度 (Ma) 抗拉屈服强度 (MPa) 断裂伸长率(%) 值 103 55 21.6 402
弹性模量(Ma)
缺口冲击强度(KJ/㎡) 抗拉屈服强度 (MPa) 断裂伸长率(%)
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θ=5°
扭动微动磨损机理
扭动角度的影响
中心区域形貌
边缘部分形貌
PEEK外侧磨痕形貌 1000x
中国矿业大学徐海学院
对磨副Co-Cr-Mo外侧形貌 1000x
扭动微动磨损机理
θ=10°
扭动角度的影响
中国矿业大学徐海学院
扭动微动摩擦磨损特性
θ=3°
100 500 1000 5000 10000 15000 100 500
扭动微动摩擦磨损特性
扭动角度的影响
10 o 3 o 1
0.2
o
扭 矩
0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
循环 次数 ,×103
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扭动微动磨损机理
扭动角度的影响
θ=1°
PEEK外侧磨痕形貌 1000x
对磨副Co-Cr-Mo中心形貌 100x
θ=3°
Co-Cr-Mo中心稍外侧 100x
100 500 1000 5000 10000 15000
循环次数的影响
0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
θ=10°时，PEEK端面扭 动的摩擦扭矩时变曲线
0.22 0.20 0.18 0.16
0.00 -0.05 -0.10
扭 矩
-0.15 -0.20
-10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10
中国矿业大学徐海学院
扭动微动磨损机理
循环次数的影响
100倍
500倍中心区域
中心区域
500倍 边缘区域
500倍 边缘区域
边缘部分
中国矿业大学徐海学院
扭动微动摩擦磨损特性
F=118N
100 500 1000 5000 10000 15000 100 500 1000
扭动角度的影响
5000 10000 15000
0.1
0.0
4000
时 间/s
PEEK和UHMWPE的蠕变柔量随压入时间的变化曲线 UHMWPE为线型结构的聚合物，主链很长且相互缠结，而PEEK的大分 子链上含有刚性的苯环及提高分子间作用力的羰基, 且结构规整,使得其分 子链段的活动能力较低，尺寸稳定性好，蠕变程度较小
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-1 PEEK 蠕变 柔量 D(t)/GPa
外加载荷的影响
1000
5000
10000
15000
0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3
F=370n
外加载荷的影响
中心区域 形貌
PEEK外侧磨痕形貌 500x 边缘部分形貌
对磨副外侧形貌 500x
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扭动微动磨损机理
F=470n
外加载荷的影响
中心区域 形貌
PEEK外侧磨痕形貌 500x
边缘部分形貌
对磨副外侧形貌 500x
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结论
从PEEK的表面性能测试实验得出：PEEK的抗蠕变性能远优于 UHMWPE，其球压痕深度约为UHMWPE的1/13；PEEK对水的表 面接触角为88.45°，具有较好的表面润湿性；PEEK在吸水前后的 硬度降低百分比UHMWPE要低，为0.4734%。综合比较PEEK比 UHMWPE的性能更加优良。 对于PEEK/CoCrMo的扭动微动磨损行为研究，实验得出：当外加 载荷一定时，随着扭动角位移幅值的增大，摩擦表面受到的交变应 力作用增强，材料的损伤逐渐加重，接触界面发生明显的金属粘着 和PEEK物料转移，表面犁沟和剥落的尺寸增大，数量增多。当扭 动角位移幅一定时，法向载荷较小时，磨损表面为轻微的磨粒磨损 和粘着磨损，随着外加载荷的增加，T-θ曲线摩擦扭矩值随之升高， PEEK磨损表面划痕明显加深、数量增多，且表面疲劳剥落程度加 重，剥落坑尺寸也随之增大。说明载荷的增加直接影响接触表面的 磨损量。
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10 -10-5 0 5 10
角度
角度
θ=5°
θ=10°
PEEK的端面扭动T-θ曲线，F=118N°
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生 物 摩 擦 副
人 工 关 节 置 换
有效的重建关节功能，达到缓解疼痛、稳定关节、 矫正畸形等目的，进而提高患者的生活质量
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研究背景
聚醚醚酮（PEEK）
金 属 聚 合 物 陶瓷/陶瓷 陶瓷/聚合物 / 金属/金属
1.加工性能优异 2.良好的生物相容性 3.耐化学药品性 4.熔点高、强度高 5.与骨骼弹性模量相近，无应力屏蔽 6.具有放射线透过性，磁共振扫描不 产生伪影的优越特性，极佳的耐辐照 性 已用于脊柱、关节等方面
吸水前 硬度/HD 吸水后硬度/HD
100
吸水前 质量 吸水后质量
8.58034 8.58344
80
92.44
92.00
8 5.54024 5.54101
硬度/HD
70.25
69.00
质量/g
6
60
4
40
2
20
0
UHMWPE
PEEK
0
UHMWPE
PEEK
实验材料
实验材料
吸水前质量 吸水后质量
吸水率
吸水前硬度
4400
4 114 12
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表面润湿性
JC2000C-3型静滴接触润湿角测定仪测定表面润湿性
PEEK样品的接触角
UHMWPE样品的接触角
PEEK的大分子链上含有的醚键及羰基均为极性基团，即为亲水基团
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吸水率
UHMWPE与PEEK吸水前后质量对比
10
UHMWPE与PEEK吸水前后硬度对比
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0.20 0.15 0.10 0.05 0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3 -3-2-10 1 2 3
0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10
-1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1
0.20 0.15 0.10 0.05
扭 矩
扭 矩
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20
-6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6 -6-4-2 0 2 4 6
角度
角度
θ=1°
100 500 1000 5000 10000 15000 100 500 1000 5000
θ=3°
10000 15000
扭动微动摩擦磨损特性
扭动微动试验装置示意图
(1)垂向电机，(2)垂向导轨，(3)水平电机，(4)水平导轨，(5)六维力功 矩传感器，(6) 上夹具，(7) 上试样（Co-Cr-Mo销），(8) 下夹具，(9) 下试样(PEEK盘)，(10) 高精度低速电机，(l1) 固定装置
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扭动微动摩擦磨损特性
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0 2 4 6 8 10 12
3
角度
14
16
18
θ=10°时，PEEK端面扭动T-θ曲线
循环 次数 ,×10
T-θ曲线始终为平行四边形,摩擦扭矩随着循环次数的增加逐渐增加，约在10000次循环
时达到稳定，稳定扭矩值为0.20N.mm。10000个周期之后，扭动进入稳定磨损期，平行 四边形的形状变化很小，扭动运行于完全滑动状态。
吸水后硬度
硬度降低率
UHMWPE PEEK
5.54024 8.580342
5.54101 8.583438
0.01390% 0.03608%
UHMWPE PEEK
70.25 92.44
69.00 92.00
1.7794% 0.4734%
质量：g
硬度：HD
中国矿业大学徐海学院
压痕蠕变特性
UMT–Ⅱ
UHMWPE盘：￠30mm×7mm
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5
-2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
扭 矩
角度
角度
F=118N
100 500 1000 5000 10000 15000
PEEK/CoCrMo的扭动微动磨损行为研究
材料09-1班 崔文
研究背景 表面特性 表面润湿性、吸水率、压痕蠕变特性 摩擦磨损特性 循环次数、扭动角度、法向载荷 磨损机理 结论
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研究背景
灵活的多方向活动能力 完成旋转、曲伸等复杂动作 承受一定的压、拉、屈、折等负荷
F=370N
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5
-2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
扭 矩
角度
F=470N
中国矿业大学徐海学院
扭动微动磨损机理
2
20 10 0
5.9
时 间/s
实验材料
PEEK和UHMWPE试样的压入深 度随压入时间的变化曲线
保压1h后 PEEK和UHMWPE试样 的压入深度
中国矿业大学徐海学院
压痕蠕变特性
蠕变柔量
-1 UHMWPE 蠕变Байду номын сангаас柔量 D(t)/GPa
2.0 UHMWPE
0.5 0.4
1.5
0.3
1.0
0.2
0.5 PEEK 0.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500