[发明专利]用于模拟人工关节动态缝隙腐蚀的实验测试装置及方法

说明书

本发明提供了一种用于模拟人工关节动态缝隙腐蚀的实验测试装置及方法，该装置包括：聚四氟乙烯容器、试样固定座、凹型接触件和三电极电化学测试系统，聚四氟乙烯容器内盛放有模拟体液，试样固定座固定在聚四氟乙烯容器的底部中央位置，试样固定座用于固定试样；凹型接触件设置在试样固定座的上方，并与摩擦磨损设备连接；三电极电化学测试系统包括铂片对电极、Ag/AgCl参比电极以及工作电极，试样作为所述工作电极，三电极电化学测试系统连接有电化学测试设备。本发明能够模拟人工关节在动态服役过程中的真实情况，实现动态缝隙腐蚀监测，反映人工关节材料的耐缝隙腐蚀性能，为材料的选择或优化材料性能提供可靠的参考。

技术领域

本发明涉及人工关节材料缝隙腐蚀测试技术领域，特别是涉及一种用于模拟人工关节动态缝隙腐蚀的实验测试装置及方法。

背景技术

21世纪以来，关节疾病的数量随我国老龄化现象的加剧而增加，人们对健康的追求也随着生活水平整体提高而变得更加具体。生物医用材料的需求量越来越大，但在植入人体后会存在由腐蚀、磨损带来的失效问题。以髋关节为例，全置换型髋关节主要由髋臼、股骨头和骨柄构成。骨柄与股骨头机械结合并固定在人体股骨上。在服役过程中，股骨头与髋臼间产生滑动摩擦；而股骨头与骨柄结合处、骨柄与股骨结合处会发生微小位移，产生的是微动摩擦。在取出的服役一定时间后的人工关节中观察到这些发生摩擦磨损的连接部位都有腐蚀产物，就说明有缝隙腐蚀的发生。

随着材料科学与工程技术的发展，实用耐用型材料越来越受到关注，使得材料与周围环境互相作用过程中体现的耐腐蚀性是最需要考虑的因素之一。典型局部腐蚀中，发生缝隙腐蚀的缝隙宽度为0.025mm-0.15mm，在这个宽度范围的缝隙内溶液处于滞流状态。钝化金属的缝隙腐蚀包括不易监测的孕育期和迅速发展的扩展期。传质受阻产生的氧浓差电池使缝隙内部溶液的成分、离子浓度、pH等参数向腐蚀加速的方向变化，最终利用不同程度增加的腐蚀速率和形成的腐蚀形貌评价材料的耐缝隙腐蚀性能。

一般缝隙腐蚀测试中包括三电极电化学测试系统。该系统能够通过测试材料在相应介质中电压和电流密度的响应，判断反应进程、分析腐蚀行为、总结规律机理。经过对国家标准及文献中的实验方法进行对比分析，总结目前常用的缝隙腐蚀的实验测试装置主要有以下不足：

国家标准GB/T13671《不锈钢缝隙腐蚀电化学试验方法》用于评价材料耐缝隙腐蚀性能，该方法是通过向氯化钠溶液中的缝隙夹具装置(试样-尼龙网-模具)施加恒定电位以加速腐蚀实验进程，但是缝隙几何形状单一且不可控，无法探究不同缝隙几何形状下的缝隙腐蚀。传统缝隙腐蚀实验测试装置偏于单独进行静态缝隙腐蚀实验或者摩擦磨损实验，这些都难以准确模拟人工关节在服役过程中复杂的运动方式。仿真效果显著的高科技人工关节模拟器也因其操作复杂且测试成本高，不被一般实验所应用。

因此，需要构建既能准确模拟人工关节在服役过程中复杂运动方式，又有很强操作性的装置：用于模拟人工关节动态缝隙腐蚀的实验测试装置，并设计相应的实验方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模拟人工关节动态缝隙腐蚀的实验测试装置及方法，能够模拟人工关节在动态服役过程中的真实情况，实现动态缝隙腐蚀监测，反映人工关节材料的耐缝隙腐蚀性能，为材料的选择或优化材料性能提供可靠的参考。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：