体液环境下生物陶瓷涂层材料损伤、断裂失效机制研究

生物陶瓷涂层材料综合了基体材料及生物活性陶瓷材料的优越性，是一种较为理想的硬组织植入材料。尽管其制备方法和生物相容性已经得到大量研究，但对于其力学特性的了解还很不够，尤其是在人体体液环境下承载时材料的损伤、断裂、失效的特性和机制研究很少。本项目综合运用多学科理论和方法，基于湿热弹性力学、接触力学、连续损伤力学和断裂力学理论以及微/纳米力学测试技术，考虑人体体液环境以及接触载荷的作用，建立生物陶瓷涂层材料的损伤和断裂力学模型，对所涉及的基本理论和数值分析方法进行研究，建立体液环境下生物陶瓷涂层材料损伤、断裂过程分析的数值仿真系统。通过理论分析、实验研究和数值模拟，对生物陶瓷涂层材料的本构关系、损伤应力场以及裂纹的萌生和扩展进行研究，揭示其损伤和断裂的失效机制，并进行实验验证，为人体硬组织植入生物陶瓷涂层材料的推广应用提供失效评估以及优化设计的理论依据，从而促进生物陶瓷材料在临床应用的进程。

本项目针对体液环境下生物陶瓷涂层材料损伤、断裂失效机制开展研究，涉及力学、材料、医学等多学科交叉，研究成果对于指导生物陶瓷涂层材料的设计和制备、促进其临床应用的进程等方面具有一定的意义，为人体硬组织植入生物陶瓷涂层材料的推广应用提供失效评估以及优化设计的理论依据。   .对典型生物陶瓷涂层材料的接触问题，考虑热力载荷、相对滑动速度、摩擦系数和接触表面形貌等因素影响，采用自适应无网格法展开了研究，得到了接触应力场的变化规律。推导了界面裂纹尖端附近的应力场及积分方程，并开展了接触载荷下多层结构中央裂纹KI和界面裂纹应力强度因子的数值研究，同时进行了三维界面裂纹问题的权函数法研究，对于涂层/基体材料匹配、涂层厚度和接触载荷分布以及裂纹位置、形状和数目等各种因素对应力强度因子的影响进行了详细的分析研究，得到了一系列的研究数据，为材料的设计、制备及防断裂和延寿提供了的理论和数值分析基础。采用等离子喷涂和激光熔覆技术，成功制备了HA生物陶瓷复合涂层，并进行了工艺参数优化研究，温度场和残余应力等的数值模拟，同时对制备的涂层材料进行了微观形貌、物相组分、结合强度、硬度等性能表征和测试，同时闭环反馈指导制备工艺参数的选择，为后续的实验研究工作的开展奠定了良好的基础。基于连续损伤力学理论，采用微/纳米力学测试技术，定量测得涂层材料损伤及其演化进程，建立连续损伤模型。同时考虑到激光熔覆复合涂层中容易出现微孔洞、微裂纹等缺陷建立了复合涂层的微观损伤模型，并对所涉及的基本理论进行了研究。采用销盘摩擦副进行涂层摩擦磨损实验，研究在相同载荷、速度等条件下生物陶瓷复合涂层在不同润滑条件下（干摩擦、生理盐水以及模拟体液）下的摩擦磨损行为，并对销盘磨损过程进行了有限元仿真，为今后开展进一步的研究工作奠定了一定的工作基础。