在選擇和設計(ji)設備和部(bu)件(jian)的(de)表面時(shi)，需要最(zui)大限度(du)地(di)降低操作成本和延(yan)長使用壽命，這就(jiu)要求設計(ji)人員和工(gong)程師對(dui)(dui)表面失(shi)效(xiao)(xiao)過程有更(geng)深入(ru)的(de)了解，特別是對(dui)(dui)在腐蝕(shi)環(huan)境(jing)中工(gong)作的(de)摩擦部(bu)件(jian)。由于(yu)這樣(yang)的(de)承載(zai)界(jie)面處于(yu)腐蝕(shi)性介質(zhi)中，已經(jing)發生過很多失(shi)效(xiao)(xiao)的(de)案例，因此需要對(dui)(dui)材料(liao)在多種(zhong)因素(su)耦合作用下的(de)服(fu)役行(xing)為進行(xing)研(yan)究。

在(zai)了(le)解什么是(shi)生(sheng)物(wu)(wu)磨(mo)蝕(shi)前(qian)，要首先了(le)解什么是(shi)磨(mo)蝕(shi)。磨(mo)蝕(shi)過程(cheng)涉及機械磨(mo)損過程(cheng)與電化學(xue)/化學(xue)腐(fu)蝕(shi)之間的(de)(de)(de)(de)交互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，材料在(zai)這兩(liang)者的(de)(de)(de)(de)耦合作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)下發生(sheng)損失。在(zai)最初(chu)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究中，研(yan)究人員僅(jin)僅(jin)將(jiang)摩擦磨(mo)損和腐(fu)蝕(shi)簡單的(de)(de)(de)(de)疊加，但觀察到兩(liang)項的(de)(de)(de)(de)加和遠遠小于真實的(de)(de)(de)(de)材料的(de)(de)(de)(de)總(zong)損失量，因此認(ren)為(wei)兩(liang)者是(shi)存在(zai)耦合作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)，并且耦合作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)影響占據了(le)重要部分。歸根結底，生(sheng)物(wu)(wu)磨(mo)蝕(shi)是(shi)研(yan)究相互運(yun)動的(de)(de)(de)(de)接觸表(biao)面(mian)在(zai)具(ju)有一定腐(fu)蝕(shi)性的(de)(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)(wu)環境中的(de)(de)(de)(de)材料損失和結構變化的(de)(de)(de)(de)機理。

磨(mo)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究起源(yuan)于(yu)20世紀80年(nian)代末，現已成為(wei)(wei)一(yi)個熱門的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究領域，并以研(yan)(yan)究磨(mo)蝕(shi)中(zhong)復雜過程的(de)(de)(de)(de)(de)本(ben)質為(wei)(wei)主要(yao)目標。原位(wei)電化學(xue)技(ji)術(shu)和實驗后(hou)對表(biao)面膜的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析表(biao)征技(ji)術(shu)是(shi)研(yan)(yan)究磨(mo)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)有力工具。磨(mo)蝕(shi)研(yan)(yan)究包含腐蝕(shi)與沖蝕(shi) （固體、水滴、空氣(qi)泡）、刮擦、粘附、微動(dong)、疲勞(lao)磨(mo)損間的(de)(de)(de)(de)(de)交互(hu)作用。例如，摩擦中(zhong)粘附能經常被化學(xue)因素(su)所影響(xiang)[1]。國外對磨(mo)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究起步較早，并且(qie)主要(yao)基于(yu)工業(ye)應用，通過控制磨(mo)蝕(shi)反應過程，可(ke)以大大提高材料和部件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)服役壽(shou)命(ming)和安全性。中(zhong)國科學(xue)院金屬研(yan)(yan)究所的(de)(de)(de)(de)(de)姜曉(xiao)霞和鄭(zheng)玉貴是(shi)國內較早開始(shi)從事磨(mo)蝕(shi)機(ji)理研(yan)(yan)究的(de)(de)(de)(de)(de)科研(yan)(yan)人員。

1 引言

1.1 與工(gong)業(ye)和(he)醫學的關聯

磨蝕會導致人(ren)工關節、泥漿攪拌(ban)設備機械等的(de)(de)損壞，其中(zhong)特殊(shu)的(de)(de)生(sheng)物(wu)磨蝕會影響骨科和牙科植入(ru)物(wu)的(de)(de)安全(quan)使用，危(wei)害人(ren)體健康和生(sheng)活品質。但是磨蝕機理依然不明(ming)確，由于涉及材料或者(zhe)涂層性(xing)(xing)質、接觸形(xing)式(shi)和腐(fu)蝕狀(zhuang)態(tai)，因(yin)此(ci)(ci)磨蝕過程極(ji)度復雜。磨蝕實驗中(zhong)對表面性(xing)(xing)質的(de)(de)檢測(ce)困難進一步對機理的(de)(de)理解造成(cheng)阻礙。磨蝕中(zhong)會有多個反應并(bing)行發生(sheng)，而且磨蝕產物(wu)尺寸較小，這些都使得檢測(ce)和分析難以進行。此(ci)(ci)外，磨蝕中(zhong)會有亞(ya)穩態(tai)物(wu)質的(de)(de)產生(sheng)，它們(men)會迅速轉變為穩態(tai)物(wu)質，導致無法對其進行精(jing)確的(de)(de)分析。

磨(mo)蝕(shi)反應(ying)經常與(yu)機(ji)(ji)械(xie)和環境(jing)因素間耦合作用有關。這種(zhong)協同(tong)作用可以導致(zhi)材料實(shi)際降解(jie)速率會(hui)大于或(huo)(huo)者小于機(ji)(ji)械(xie)和環境(jing)因素的簡單疊加。磨(mo)蝕(shi)現象也有著積極(ji)作用的一(yi)面(mian)，例如可以利(li)用化學(xue)-機(ji)(ji)械(xie)法對硅晶片進行拋(pao)光(guang)。機(ji)(ji)械(xie)和環境(jing)的耦合作用會(hui)造成材料表面(mian)形成特(te)定的膜層，反過來會(hui)阻(zu)礙腐蝕(shi)和磨(mo)損(sun)的進行，如自潤滑或(huo)(huo)者自修復效(xiao)應(ying)[2,3]。

工業(ye)(ye)上許多領域都受到磨(mo)蝕降解的(de)(de)(de)影響，如(ru)采(cai)礦業(ye)(ye)、汽車業(ye)(ye)、核工業(ye)(ye)、海岸工業(ye)(ye)、海洋(yang)工業(ye)(ye)、生物(wu)醫(yi)療(liao)等(deng)(deng)等(deng)(deng)。這些行業(ye)(ye)由于(yu)忽(hu)視磨(mo)蝕帶來的(de)(de)(de)影響，每年需要(yao)花(hua)費數百(bai)億修復(fu)損(sun)(sun)壞設備。其中的(de)(de)(de)典型案(an)例是由沖蝕造(zao)成的(de)(de)(de)泵、葉(xie)輪、螺旋槳(jiang)、閥門、熱(re)交(jiao)換(huan)管等(deng)(deng)此(ci)類遭受流體沖刷的(de)(de)(de)設備。在公開(kai)(kai)發表(biao)的(de)(de)(de)論文(wen)中報道(dao)的(de)(de)(de)耐磨(mo)蝕性(xing)(xing)能數據和模型可(ke)以(yi)用于(yu)選材，但由于(yu)協同效應測試(shi)較少(shao)而(er)且許多報道(dao)并未完全(quan)完成，所以(yi)這類信(xin)息也是值得推敲的(de)(de)(de)。因(yin)此(ci)，對在具(ju)有一定(ding)溫度波(bo)動(dong)且具(ju)有腐蝕性(xing)(xing)環(huan)境(jing)下使用的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)需要(yao)進行磨(mo)蝕性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)評價。材料(liao)表(biao)面(mian)從開(kai)(kai)始產生損(sun)(sun)傷到最終失效的(de)(de)(de)過程(cheng)并沒有明確(que)劃分。因(yin)此(ci)有時同樣的(de)(de)(de)機器由于(yu)服役環(huan)境(jing)的(de)(de)(de)細微差異，最終會導致產生完全(quan)不同的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)損(sun)(sun)壞。

1.2 界(jie)面和氧化物的作用

不(bu)(bu)銹鋼主要(yao)是依靠表面1~10 nm厚度的鈍(dun)化(hua)膜來抵抗腐蝕(shi)(shi)(shi)介質(zhi)的侵蝕(shi)(shi)(shi)。這種氧化(hua)膜會在氧氣存在的介質(zhi)中自(zi)發形成，但是機(ji)械摩擦會導致鈍(dun)化(hua)膜發生破(po)裂甚至被完全去除，這時基體暴露在腐蝕(shi)(shi)(shi)介質(zhi)中，也就(jiu)意味著這個區(qu)域(yu)的陽極溶(rong)解過程 （腐蝕(shi)(shi)(shi)） 被加速(su)。這個過程受鈍(dun)化(hua)膜的破(po)壞速(su)度和再鈍(dun)化(hua)速(su)率的共同控(kong)制，當前(qian)者大于后者時，會導致材料的快(kuai)速(su)降解。然而在磨蝕(shi)(shi)(shi)中，較強的鈍(dun)化(hua)能力和耐(nai)腐蝕(shi)(shi)(shi)能力并不(bu)(bu)意味著較低的材料損失(shi)率，對該現象研(yan)究(jiu)的匱乏嚴(yan)重阻礙(ai)了(le)尋找(zhao)提高(gao)材料耐(nai)磨蝕(shi)(shi)(shi)性能的方法。

氧化物(wu)的(de)(de)(de)出現會(hui)影響摩擦副材料表面塑(su)性(xing)變形(xing)的(de)(de)(de)程(cheng)(cheng)度(du)和(he)深度(du)。表面氧化物(wu)的(de)(de)(de)結合力(li)對那些需要控制摩擦和(he)磨損的(de)(de)(de)工(gong)程(cheng)(cheng)應用有(you)著重要的(de)(de)(de)意義。摩擦力(li)可以用粘附力(li)和(he)形(xing)變力(li)的(de)(de)(de)加(jia)和(he)來表示(shi)，粘附力(li)與兩個(ge)粗糙表面連(lian)接時(shi)的(de)(de)(de)剪切力(li)相關。

1.3 基(ji)本(ben)現象的認識(shi)

磨(mo)蝕(shi)反應(ying)涉及(ji)到腐蝕(shi)與如下因素的(de)交(jiao)互(hu)作用(yong)：固體顆粒沖蝕(shi)、刮(gua)擦、空泡沖蝕(shi)、微動、生物溶液和(he)滑(hua)動磨(mo)損和(he)摩擦氧(yang)化。圖(tu)1總結了這些交(jiao)互(hu)作用(yong)。

圖1   磨蝕反應中可能與腐蝕發生交互(hu)作用的(de)因素

為了總結上述的(de)內(nei)容(rong)和介紹磨蝕領域的(de)研(yan)究(jiu)范(fan)圍，表1總結了表面在(zai)不(bu)同接觸(chu)條(tiao)件下(xia)可(ke)能發生(sheng)的(de)反(fan)應。

2 磨損-腐蝕的交互作用

磨(mo)損和(he)腐蝕(shi)的交互作用可以表述如下：

在沖蝕(shi)過程中(zhong)，材料的(de)總損失量T可以由下式表示：

T=E+C+S

式(shi)中，E代表(biao)由單(dan)(dan)純沖刷(shua)造成(cheng)的材料損失，C是單(dan)(dan)純腐蝕(shi)造成(cheng)的材料損失，S代表(biao)耦合(he)作用(yong)或者(zhe)交互(hu)作用(yong)項。

而在磨蝕中，T則可(ke)以由下(xia)式表示：

T=W+C+S

式(shi)中，W代表(biao)由單純機械磨(mo)損(sun)造成的材料損(sun)失。磨(mo)損(sun)和腐蝕之間存(cun)在許多(duo)種(zhong)(zhong)交互(hu)作用(yong)，而實驗上也有多(duo)種(zhong)(zhong)方法來(lai)量化這種(zhong)(zhong)作用(yong)。大多(duo)數(shu)的交互(hu)作用(yong)被認為是耦合(he)作用(yong)，被定義為“磨(mo)蝕損(sun)失量與(yu)兩者(zhe)簡(jian)單加和的差值(zhi)”，可以用(yong)下式(shi)來(lai)表(biao)達：

S=T ?（E+C）=（ΔCe+ΔEc）

其中，耦(ou)合作(zuo)用(yong)可(ke)以(yi)分解為由(you)腐(fu)蝕加(jia)速的(de)磨損ΔEc和(he)由(you)磨損加(jia)速的(de)腐(fu)蝕ΔCe。最近的(de)報道[3]已經確認(ren)，前者是耦(ou)合作(zuo)用(yong)，后者是附加(jia)作(zuo)用(yong)。

對于沖蝕反應，S則取決于文獻中的(de)條件和獲得腐蝕損失的(de)途徑。因此，在(zai)參(can)考多篇報(bao)道并研究多種材料時(shi)必須十分(fen)謹慎。如何測試S可以(yi)參(can)考ASTM G119-93標準[5]。

機械(xie)磨(mo)損(sun)(sun)會破壞具有(you)保護作用的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)產物膜(mo)(mo)，露出新鮮的(de)活性(xing)表面，這(zhe)就會產生ΔCe項(xiang)，而(er)(er)該(gai)項(xiang)的(de)作用取決于再鈍(dun)化(hua)速(su)(su)(su)率和(he)(he)膜(mo)(mo)層的(de)保留時(shi)(shi)間。磨(mo)損(sun)(sun)引起腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)加(jia)速(su)(su)(su)的(de)其它可(ke)能(neng)機理(li)還(huan)包括：（1） 磨(mo)損(sun)(sun)區域的(de)局部酸(suan)化(hua)，加(jia)速(su)(su)(su)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)同時(shi)(shi)抑制鈍(dun)化(hua)膜(mo)(mo)的(de)形(xing)成(cheng)(cheng)；（2） 擾動(dong)加(jia)速(su)(su)(su)傳質過程；（3） 通(tong)過腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)降低疲勞(lao)強(qiang)度(du)；（4） 磨(mo)損(sun)(sun)區域充當陽極，使得(de)周邊未(wei)磨(mo)損(sun)(sun)區域受到陰極極化(hua)，而(er)(er)該(gai)區域生成(cheng)(cheng)鈍(dun)化(hua)膜(mo)(mo)的(de)反(fan)應(ying)平衡被打破，腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)得(de)以加(jia)速(su)(su)(su)[6]；（5） 表面粗糙度(du)在磨(mo)損(sun)(sun)中(zhong)變(bian)大(da)導致腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)加(jia)速(su)(su)(su)[7]。而(er)(er)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)同樣可(ke)以加(jia)劇(ju)機械(xie)磨(mo)損(sun)(sun) （ΔEc），可(ke)能(neng)的(de)機理(li)有(you)：（6） 腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)使加(jia)工硬化(hua)層溶(rong)解[8]；（7） 晶(jing)界處(chu)的(de)優(you)先溶(rong)解導致脫落[9]；（8） 微區點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)和(he)(he)應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)開裂造成(cheng)(cheng)的(de)應(ying)力集(ji)中(zhong)。上述的(de)這(zhe)些機理(li)如果(guo)在實(shi)際(ji)情況中(zhong)占(zhan)主導地位時(shi)(shi)，耦(ou)合效應(ying)主要顯示為正值(zhi)。

Malka等[10]研究(jiu)了AISI 1018碳鋼(gang)在(zai)1% （質(zhi)量(liang)分數） NaCl溶液(ye)中的(de)(de)沖(chong)(chong)(chong)蝕行為(wei)，實驗中采(cai)用0.12 MPa壓力的(de)(de)CO2氣體沖(chong)(chong)(chong)擊樣品，其(qi)中還含有(you)2% （質(zhi)量(liang)分數） 粒徑為(wei)275 μm的(de)(de)SiO2沙粒。研究(jiu)認(ren)為(wei)沖(chong)(chong)(chong)刷(shua)可以加(jia)速(su)(su)腐蝕，腐蝕同時也(ye)會加(jia)速(su)(su)沖(chong)(chong)(chong)刷(shua)，但是(shi)前者起主(zhu)導(dao)作(zuo)用。在(zai)沖(chong)(chong)(chong)刷(shua)速(su)(su)率為(wei)2 m/s時，總損失量(liang)T是(shi) （E+C） 的(de)(de)2~3倍，顯示了明(ming)顯的(de)(de)正耦合效應。

但(dan)是，在(zai)一(yi)些條件下，還會發生負耦合效應(ying)，也可(ke)以(yi)稱之為拮抗作(zuo)用(yong)。腐(fu)蝕(shi)緩(huan)解磨(mo)(mo)損可(ke)能(neng)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)機理有：噴丸處(chu)理中高速砂礫的(de)(de)(de)沖擊作(zuo)用(yong)；生成(cheng)較軟(ruan)或者酥松的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)產(chan)(chan)物減小(xiao)了接觸應(ying)力及(ji)裂紋尖(jian)端的(de)(de)(de)鈍化(hua)抑制裂紋的(de)(de)(de)擴(kuo)展(zhan)。磨(mo)(mo)損緩(huan)解腐(fu)蝕(shi)可(ke)能(neng)由腐(fu)蝕(shi)產(chan)(chan)物膜的(de)(de)(de)快(kuai)速生成(cheng)，鈍化(hua)膜的(de)(de)(de)形成(cheng)降低(di)了腐(fu)蝕(shi)速率(lv)及(ji)熱效應(ying)影響膜層。

沖刷和(he)腐蝕(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)交互(hu)作(zuo)用可(ke)以(yi)用電位和(he)沖刷速率的(de)(de)關(guan)系描述，用于找到可(ke)接受的(de)(de)材(cai)料損(sun)(sun)(sun)失率和(he)避免(mian)高損(sun)(sun)(sun)失率的(de)(de)發生[11]。Wood[12,13,14,15]嘗試了量(liang)化發生在(zai)泥漿(jiang)中的(de)(de)沖蝕(shi)(shi)耦合效應(ying)。這些研究量(liang)化了沖蝕(shi)(shi)中電化學因(yin)素引起的(de)(de)材(cai)料損(sun)(sun)(sun)失 （C） 和(he)機械作(zuo)用引起的(de)(de)材(cai)料損(sun)(sun)(sun)失 （T-C），這些可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)衡(heng)量(liang)表面(mian)性能的(de)(de)參考。當(dang) （T-C）/C比(bi)值(zhi)為(wei)1~10時，機械主導(dao)的(de)(de)磨損(sun)(sun)(sun)將會超過10，而比(bi)值(zhi)在(zai)0.1~1時，腐蝕(shi)(shi)主導(dao)小于0.1。

但是(shi)(shi)這個(ge)趨勢(shi)與定(ding)(ding)量結果的(de)獲得方式有很大關(guan)系，如果存在(zai)問(wen)題，會引起很大的(de)偏差(cha)。在(zai)計算交互作(zuo)用ΔEc和ΔCe時，電化學(xue)定(ding)(ding)量和質量損(sun)失定(ding)(ding)量的(de)誤差(cha)會累加起來。因(yin)此(ci)，本文的(de)作(zuo)者傾向于獨立(li)測試機械、化學(xue)或電化學(xue)的(de)貢獻，以更好地進行材(cai)料選擇(ze)或者是(shi)(shi)改進涂層的(de)結構和成(cheng)分。而(er)關(guan)注的(de)重點應該(gai)是(shi)(shi)總損(sun)失量要小于材(cai)料的(de)服役(yi)時間。

原(yuan)位電(dian)(dian)化學測(ce)試可以用(yong)于研(yan)(yan)究電(dian)(dian)荷轉移反(fan)應(ying)和(he)磨(mo)蝕(shi)中(zhong)的(de)(de)(de)溶解(jie)速(su)率。電(dian)(dian)化學測(ce)試技術被用(yong)于測(ce)量腐蝕(shi)電(dian)(dian)流或者表(biao)(biao)面(mian)實時(shi)電(dian)(dian)位。Celis等(deng)(deng)[16]監測(ce)了表(biao)(biao)面(mian)開(kai)路(lu)電(dian)(dian)位 （OCP） 在磨(mo)蝕(shi)中(zhong)的(de)(de)(de)演變(bian)(bian)。但是機(ji)械、化學和(he)電(dian)(dian)化學對(dui)開(kai)路(lu)電(dian)(dian)位的(de)(de)(de)影響還需(xu)要進(jin)行更深(shen)入(ru)的(de)(de)(de)理解(jie)，此外微觀結構隨時(shi)間和(he)載(zai)荷的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化、材料表(biao)(biao)面(mian)性質的(de)(de)(de)改(gai)變(bian)(bian)和(he)傳質狀態(tai)等(deng)(deng)因(yin)素也需(xu)要被考慮進(jin)來(lai)，而這些方面(mian)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究還非常匱乏。圖(tu)(tu)2展示了一種鈷鉻鉬合(he)金在關節滑液中(zhong)的(de)(de)(de)OCP和(he)摩擦系數隨時(shi)間的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化。可以看到，OCP隨著摩擦開(kai)始(shi) （圖(tu)(tu)2中(zhong)1點） 大(da)幅(fu)度(du)降低，也就(jiu)意味著表(biao)(biao)面(mian)更為活潑，而摩擦結束后，電(dian)(dian)位又(you)迅速(su)回升 （圖(tu)(tu)2中(zhong)2點）。OCP的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化反(fan)映(ying)了表(biao)(biao)面(mian)鈍化膜被破(po)壞(huai)并再鈍化的(de)(de)(de)動態(tai)過程。OCP遵循Evans混(hun)合(he)電(dian)(dian)位原(yuan)理，因(yin)此可以通過改(gai)變(bian)(bian)陰極和(he)陽(yang)極反(fan)應(ying)速(su)率來(lai)改(gai)變(bian)(bian)OCP的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)。

圖2   鈷(gu)鉻(ge)鉬合金在小牛關節滑液中的(de)開路電位和摩擦(ca)系數隨時間的(de)變化曲線

3 模型

Landolt[17]總結了上(shang)千(qian)人(ren)對(dui)磨(mo)(mo)蝕(shi)過程所做的(de)(de)(de)(de)各類模(mo)(mo)型。有些(xie)研究者嘗(chang)試解釋磨(mo)(mo)損(sun)與腐(fu)蝕(shi)間的(de)(de)(de)(de)耦(ou)合作(zuo)用為什么會在某(mou)些(xie)條(tiao)件下加速材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)降解，而在某(mou)些(xie)場合又可以(yi)緩(huan)解材(cai)(cai)料降解[18,19,20,21]。大部分的(de)(de)(de)(de)耐蝕(shi)金屬是(shi)依靠在表面形成的(de)(de)(de)(de)具有電(dian)(dian)荷(he)轉(zhuan)移壁(bi)壘(lei)作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)(hua)膜來起保(bao)護(hu)(hu)作(zuo)用。在磨(mo)(mo)蝕(shi)中，雖然(ran)(ran)鈍化(hua)(hua)(hua)膜依然(ran)(ran)存在保(bao)護(hu)(hu)作(zuo)用，但是(shi)會在機(ji)械接觸(chu)時被破壞，這時界面處將會發生電(dian)(dian)荷(he)轉(zhuan)移[22]。摩(mo)擦和電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)交互作(zuo)用導致材(cai)(cai)料降解速度相對(dui)單(dan)純機(ji)械磨(mo)(mo)損(sun)下有所升高。基于(yu)以(yi)上(shang)理(li)解，研究人(ren)員提出一些(xie)模(mo)(mo)型用于(yu)預(yu)測磨(mo)(mo)蝕(shi)反應(ying)中材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學活性。

3.1 滑動(dong)摩擦接觸造成電流上升

一(yi)般情況下，金屬表面的(de)鈍化膜(mo)起著腐(fu)蝕(shi)保護(hu)的(de)作(zuo)用，但是這些氧化物在(zai)摩擦中不(bu)可避免地(di)會(hui)受到破(po)壞(huai)甚(shen)至完全被剝離，這就是典型的(de)由于鈍化膜(mo)的(de)破(po)壞(huai)或者去除導致的(de)腐(fu)蝕(shi)加速[23]。

Ponthiaux等[24]認為磨損區域和未(wei)磨損區域組成的(de)電(dian)(dian)偶腐(fu)(fu)蝕對在磨蝕中起到非(fei)常重要的(de)作(zuo)用。García等[25]提出(chu)了一種(zhong)在往復(fu)摩(mo)擦條件(jian)下，腐(fu)(fu)蝕電(dian)(dian)流I、電(dian)(dian)極面積A和摩(mo)擦頻率(lv)f之(zhi)間在陽極電(dian)(dian)位(wei)作(zuo)用下的(de)關系：

其中，Aa代(dai)(dai)表(biao)(biao)磨損區域(yu)的面積，A-Aa代(dai)(dai)表(biao)(biao)剩(sheng)余鈍化區域(yu)的面積，ia（t） 代(dai)(dai)表(biao)(biao)再鈍化電(dian)流密度，ip（t） 代(dai)(dai)表(biao)(biao)陽極電(dian)位下的鈍化電(dian)流密度。

Goldberg和(he)Gilbert[26]提(ti)出了更為復雜的模型：

如果實際情況符合Tafel行為，則：

其中，Ipeak代(dai)表(biao)(biao)電流(liu)(liu)(liu)峰值 （Ipeak=Imax-I∞），Imax是(shi)記錄的最大電流(liu)(liu)(liu)，τ代(dai)表(biao)(biao)關于再(zai)鈍(dun)(dun)化(hua)的常(chang)數(shu)，t0代(dai)表(biao)(biao)產(chan)生(sheng)劃痕(hen)的時(shi)間(jian)(jian)，I∞代(dai)表(biao)(biao)時(shi)間(jian)(jian)無窮大時(shi)的鈍(dun)(dun)化(hua)電流(liu)(liu)(liu)，jcrit代(dai)表(biao)(biao)鈍(dun)(dun)化(hua)需要的電流(liu)(liu)(liu)密度(du)，A0代(dai)表(biao)(biao)劃痕(hen)面積，nf是(shi)劃痕(hen)的過電位(wei)，ba是(shi)Tafel斜率(lv)，δ代(dai)表(biao)(biao)再(zai)次鈍(dun)(dun)化(hua)時(shi)產(chan)生(sheng)的氧化(hua)物厚度(du)，ρ代(dai)表(biao)(biao)鈍(dun)(dun)化(hua)膜密度(du)，Z代(dai)表(biao)(biao)每一(yi)個陽離子所(suo)帶電荷，F為Faraday常(chang)數(shu)，Mw是(shi)氧化(hua)物的摩爾(er)質量。

Mischler等[27]提出一個用于往復摩擦的(de)模型，其中包含(han)了載(zai)荷和材(cai)料硬度的(de)影響效應。由硬質對磨材(cai)料引起(qi)的(de)陽極電流Ia,w可以由下式表示：

式中，Kw為(wei)(wei)(wei)磨(mo)損軌(gui)道區(qu)域中被有效鈍(dun)化的(de)部(bu)分(fen)的(de)比例系(xi)數，l為(wei)(wei)(wei)滑動(dong)行程，f為(wei)(wei)(wei)滑動(dong)頻率，W為(wei)(wei)(wei)施加載荷，H表示金(jin)屬硬(ying)度(du)，i為(wei)(wei)(wei)電流密度(du)。而(er)在水溶液中發生(sheng)磨(mo)蝕(shi)時可(ke)以(yi)用更為(wei)(wei)(wei)復雜的(de)模型來(lai)描述[28]。

對(dui)于(yu)認識磨(mo)蝕中的(de)(de)(de)交互作用，區分和認識各(ge)影響因素是極其重要的(de)(de)(de)。Jiang和Stack[29]討論(lun)了氣體和液體環(huan)境中滑動摩擦(ca)中磨(mo)屑的(de)(de)(de)產生機(ji)理和在磨(mo)損(sun)中的(de)(de)(de)作用。環(huan)境介質對(dui)具有保護作用表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)影響對(dui)于(yu)控(kong)制材料損(sun)失有著緊密(mi)的(de)(de)(de)聯系。

3.2 沖蝕造成電流上升(sheng)

在沖蝕損傷中(zhong)，固體顆粒(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)碰撞和空(kong)氣泡的(de)(de)(de)(de)爆裂(lie)可以破壞金屬表面(mian)的(de)(de)(de)(de)氧化膜或鈍化膜，使材料露出活潑的(de)(de)(de)(de)底層。Bozzini等[30]提出了一(yi)個簡(jian)單(dan)的(de)(de)(de)(de)近似模(mo)型，這(zhe)個模(mo)型的(de)(de)(de)(de)優勢是對(dui)于鈍化和活化腐(fu)蝕狀態(tai)都可以應(ying)用(yong)。模(mo)型中(zhong)的(de)(de)(de)(de)碰撞顆粒(li)(li)(li)被定義成嚴格分(fen)散的(de)(de)(de)(de)曲率半徑為rp的(de)(de)(de)(de)圓球，假設顆粒(li)(li)(li)在壓縮過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)Poisson參數為λ （m-2·s-1）。假設每一(yi)次撞擊均會引起局(ju)部腐(fu)蝕電(dian)流的(de)(de)(de)(de)上升(sheng)。腐(fu)蝕電(dian)流密度icorr（nA·cm-2） 與機械和腐(fu)蝕的(de)(de)(de)(de)耦合(he)作用(yong)系(xi)數fa （0≤fa≤1） 的(de)(de)(de)(de)關系(xi)如下：

式(shi)中(zhong)，下標a和(he)u分(fen)別代表受影響和(he)不受影響；電流密度ia和(he)iu分(fen)別表示(shi)材料在有沖蝕(shi)反應發生和(he)沒有沖蝕(shi)反應發生時的腐蝕(shi)速(su)率(lv)，它(ta)們可以通過適當的實驗得(de)出。系數fa可以由(you)下式(shi)定義(yi)：

式中，λ’為(wei)不受影響區域面(mian)積(ji)與總面(mian)積(ji)的(de)比例系數(shu)，t‘為(wei)再鈍化需要的(de)時(shi)間。

式(shi) （8） 表明，其中加(jia)速(su)腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)因(yin)素是(shi)由于鈍化膜(mo)的(de)(de)(de)破壞和移除所引起，但(dan)是(shi)這(zhe)個涉及到沖(chong)刷(shua)和腐(fu)蝕(shi)交(jiao)互作(zuo)用的(de)(de)(de)因(yin)素還需要進行更(geng)為深入(ru)的(de)(de)(de)理解。Bozzini等(deng)[30]利用該方程觀察到回火后的(de)(de)(de)碳鋼比加(jia)工硬化狀態時(shi)的(de)(de)(de)沖(chong)蝕(shi)速(su)率要快。

4 關節材料的生物磨(mo)蝕

金(jin)屬材料(liao)在磨(mo)損或者磨(mo)蝕中，其(qi)表(biao)層結構會在機械作用(yong)下(xia)發生(sheng)明顯改變，如缺(que)陷的引入、晶(jing)粒的細化等，這(zhe)些改變使得(de)材料(liao)表(biao)層性能與原始材料(liao)相(xiang)比發生(sheng)了顯著變化，例(li)如硬(ying)度和強(qiang)度的提(ti)高、韌性的下(xia)降等，是一種典型的“加工硬(ying)化”現象。

表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)改變會(hui)直接影(ying)響材(cai)料(liao)(liao)后續的(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)損(sun)行為(wei)，而這其(qi)(qi)中最顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)(de)改變就是(shi)硬度的(de)(de)(de)(de)(de)提高，由(you)于大(da)(da)量缺陷(xian) （位錯、層(ceng)(ceng)錯、晶界(jie)等） 的(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)入(ru)，使(shi)得表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)塑性(xing)(xing)變形難以(yi)繼續發生，使(shi)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)損(sun)性(xing)(xing)能(neng)得到提升。此(ci)外，晶粒尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)減小也是(shi)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)變化的(de)(de)(de)(de)(de)典型(xing)特征(zheng)，在(zai)(zai)長期(qi)或者(zhe)劇烈摩擦磨(mo)損(sun)條件下，金(jin)(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)晶粒尺(chi)寸(cun)可以(yi)下降(jiang)(jiang)至(zhi)100 nm以(yi)下，這不但增(zeng)加材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)度 （細晶強(qiang)(qiang)化），也會(hui)改變材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)電化學腐蝕行為(wei)。對(dui)于鈍態金(jin)(jin)(jin)屬(shu)，晶粒尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)減小可以(yi)活化表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)原子，可以(yi)在(zai)(zai)其(qi)(qi)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)生成更為(wei)致密的(de)(de)(de)(de)(de)鈍化膜(mo)，可以(yi)降(jiang)(jiang)低(di)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)腐蝕和磨(mo)蝕速(su)率。此(ci)外，對(dui)于一些特殊(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)應用環境，表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)改變還有著額外的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響。由(you)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)制作的(de)(de)(de)(de)(de)人工關節(jie)在(zai)(zai)體(ti)內服(fu)役(yi)時，也會(hui)在(zai)(zai)具有腐蝕性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)人體(ti)體(ti)液環境介質中遭(zao)受磨(mo)蝕，磨(mo)蝕不但直接降(jiang)(jiang)解材(cai)料(liao)(liao)，還會(hui)產生大(da)(da)量金(jin)(jin)(jin)屬(shu)離子和納米尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)屑，這些都會(hui)造成局部(bu)組織的(de)(de)(de)(de)(de)無菌炎癥，最終(zhong)引(yin)起關節(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)失效。已有研(yan)究[31]證(zheng)實，金(jin)(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)與磨(mo)屑性(xing)(xing)質和尺(chi)寸(cun)有著直接聯系。

金(jin)屬材料表層(ceng)結構在機械(xie)(xie)作用下(xia)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)變形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)機制(zhi)按材料層(ceng)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)高(gao)低可以(yi)分為(wei)兩類：在擁有(you)較高(gao)層(ceng)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)能(neng)(neng)(neng)(neng)材料中，塑性變形(xing)(xing)(xing)及(ji)納米化(hua)(hua)主要是(shi)依靠(kao)(kao)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)運動來實現，這是(shi)由于形(xing)(xing)(xing)成位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)胞需要位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)在不(bu)同的(de)(de)滑(hua)(hua)移(yi)面(mian)(mian)上進(jin)行(xing)并產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)交割，而(er)高(gao)的(de)(de)層(ceng)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)能(neng)(neng)(neng)(neng)使(shi)不(bu)全(quan)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)更容易發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)束(shu)集，使(shi)得(de)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)可以(yi)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)交滑(hua)(hua)移(yi)，進(jin)而(er)形(xing)(xing)(xing)成位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)墻(qiang)、位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)胞然后演化(hua)(hua)為(wei)亞晶(jing)細分原始晶(jing)粒(li)；而(er)對于低層(ceng)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)能(neng)(neng)(neng)(neng)材料，不(bu)全(quan)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)不(bu)容易發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)束(shu)集，從而(er)抑制(zhi)了(le)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)的(de)(de)交滑(hua)(hua)移(yi)，位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)滑(hua)(hua)移(yi)只能(neng)(neng)(neng)(neng)在各自的(de)(de)滑(hua)(hua)移(yi)面(mian)(mian)上進(jin)行(xing)，在滑(hua)(hua)移(yi)面(mian)(mian)上形(xing)(xing)(xing)成平面(mian)(mian)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)排(pai)，當(dang)平面(mian)(mian)上聚集的(de)(de)位(wei)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)超過(guo)一(yi)(yi)定數量就會(hui)引發(fa)(fa)孿(luan)晶(jing)的(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成，而(er)且層(ceng)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)能(neng)(neng)(neng)(neng)越低孿(luan)晶(jing)開(kai)動的(de)(de)臨(lin)界分切應力(li)越低，這樣低層(ceng)錯(cuo)(cuo)(cuo)(cuo)能(neng)(neng)(neng)(neng)更有(you)利于機械(xie)(xie)孿(luan)晶(jing)的(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成，最(zui)終材料依靠(kao)(kao)孿(luan)晶(jing)界的(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)而(er)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)變形(xing)(xing)(xing)[32,33,34]。此外(wai)，對于一(yi)(yi)些金(jin)屬，還可以(yi)通過(guo)應力(li)誘(you)導相變來產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)塑性變形(xing)(xing)(xing)及(ji)納米化(hua)(hua)[35]。

除了(le)(le)上(shang)述(shu)在摩擦中自(zi)發改變(bian)從(cong)而增(zeng)強(qiang)材(cai)料(liao)(liao)性(xing)能之外，有研(yan)究者則利(li)用(yong)該(gai)現象制(zhi)備(bei)了(le)(le)超高硬度(du)/強(qiang)度(du)金屬(shu)材(cai)料(liao)(liao)。盧柯(ke)團(tuan)隊利(li)用(yong)機(ji)械研(yan)磨法在Ni、Cu等(deng)基體等(deng)上(shang)制(zhi)備(bei)了(le)(le)相(xiang)對原有材(cai)料(liao)(liao)幾倍(bei)硬度(du)和強(qiang)度(du)的納(na)米(mi)晶體材(cai)料(liao)(liao)，這些材(cai)料(liao)(liao)的表層結構(gou)在強(qiang)烈(lie)的機(ji)械摩擦作用(yong)下發生嚴重的變(bian)形，晶粒尺寸下降到幾十(shi)納(na)米(mi)，產生了(le)(le)顯著(zhu)的細(xi)晶強(qiang)化作用(yong)[36,37]。

由(you)上可(ke)以(yi)(yi)知道，金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構在(zai)(zai)摩(mo)擦(ca)下的(de)(de)(de)改變(bian)(bian)對其性能(neng)有(you)(you)著顯著的(de)(de)(de)影(ying)響。但是目前對表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)形(xing)機(ji)制和影(ying)響因(yin)(yin)素(su)的(de)(de)(de)研究(jiu)依然不夠深刻，特別是對在(zai)(zai)溶(rong)液(ye)中(zhong)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)蝕下的(de)(de)(de)變(bian)(bian)形(xing)而(er)言。在(zai)(zai)溶(rong)液(ye)環境中(zhong)，表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)形(xing)不像在(zai)(zai)空氣中(zhong)只受機(ji)械因(yin)(yin)素(su)的(de)(de)(de)影(ying)響，還可(ke)能(neng)會受到界面(mian)(mian)的(de)(de)(de)影(ying)響。界面(mian)(mian)處金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)溶(rong)解、腐(fu)蝕產物的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)、溶(rong)質/溶(rong)劑的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)等都(dou)可(ke)能(neng)會影(ying)響金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)塑(su)(su)性變(bian)(bian)形(xing)。Yan等[38]對鈷(gu)基合金(jin)(jin)材(cai)料(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構在(zai)(zai)磨(mo)(mo)蝕中(zhong)的(de)(de)(de)演(yan)(yan)變(bian)(bian)進行(xing)了研究(jiu)，主要(yao)對溶(rong)質的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)、電化(hua)(hua)(hua)學腐(fu)蝕對表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構演(yan)(yan)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)影(ying)響及表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構的(de)(de)(de)改變(bian)(bian)對溶(rong)質分子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)行(xing)為(wei)進行(xing)了研究(jiu)。結果表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)明，鈷(gu)基合金(jin)(jin)在(zai)(zai)不含和含有(you)(you)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質的(de)(de)(de)模擬體液(ye)磨(mo)(mo)損(sun)后，磨(mo)(mo)損(sun)區(qu)域(yu)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構有(you)(you)著顯著的(de)(de)(de)差別。蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質的(de)(de)(de)影(ying)響主要(yao)體現(xian)(xian)(xian)在(zai)(zai)：造(zao)成(cheng)多層(ceng)(ceng)(ceng)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構的(de)(de)(de)產生(sheng)和引起(qi)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)產生(sheng)更為(wei)嚴重的(de)(de)(de)塑(su)(su)性變(bian)(bian)形(xing)。蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質主要(yao)依靠(kao)在(zai)(zai)合金(jin)(jin)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)形(xing)成(cheng)摩(mo)擦(ca)膜(mo)來影(ying)響表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)結構的(de)(de)(de)演(yan)(yan)化(hua)(hua)(hua)。摩(mo)擦(ca)膜(mo)的(de)(de)(de)出(chu)現(xian)(xian)(xian)可(ke)以(yi)(yi)保護金(jin)(jin)屬(shu)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)產生(sheng)的(de)(de)(de)鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)(hua)膜(mo)不容易被機(ji)械摩(mo)擦(ca)作用剝離，而(er)鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)可(ke)以(yi)(yi)阻礙層(ceng)(ceng)(ceng)錯在(zai)(zai)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)湮(yin)滅，造(zao)成(cheng)層(ceng)(ceng)(ceng)錯向深處發射和表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)應(ying)力(li)集中(zhong)，這些(xie)都(dou)會造(zao)成(cheng)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)發生(sheng)更嚴重的(de)(de)(de)塑(su)(su)性變(bian)(bian)形(xing)。在(zai)(zai)另(ling)一(yi)方面(mian)(mian)，蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質的(de)(de)(de)潤滑效應(ying)可(ke)以(yi)(yi)顯著降(jiang)低摩(mo)擦(ca)系數，這會改變(bian)(bian)最大摩(mo)擦(ca)剪應(ying)力(li)的(de)(de)(de)出(chu)現(xian)(xian)(xian)部位：從(cong)材(cai)料(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)轉移到材(cai)料(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)內。這是蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質引起(qi)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)更嚴重塑(su)(su)性變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)另(ling)一(yi)個原(yuan)因(yin)(yin)。蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質可(ke)以(yi)(yi)降(jiang)低摩(mo)擦(ca)系數、減小磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)及誘(you)導更明顯的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)加工(gong)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)效應(ying)，這些(xie)都(dou)有(you)(you)利于(yu)人工(gong)關節長期、安全的(de)(de)(de)服役。

鈷基合(he)金(jin)隨著外(wai)加電(dian)位(wei)從陰(yin)極移動到(dao)陽極，表(biao)(biao)層塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)加劇。在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)外(wai)加電(dian)位(wei)下，會在(zai)表(biao)(biao)層中(zhong)形(xing)成較(jiao)厚(hou)的(de)(de)(de)(de)嚴重塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)層，伴隨著高(gao)密度缺(que)陷的(de)(de)(de)(de)產生，在(zai)近表(biao)(biao)面會有細晶層的(de)(de)(de)(de)出現；外(wai)加電(dian)位(wei)可以影響蛋白質(zhi)在(zai)CoCrMo表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)，電(dian)位(wei)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低可以使表(biao)(biao)面吸(xi)附(fu)更多的(de)(de)(de)(de)白蛋白分子，這(zhe)有利(li)于提高(gao)摩(mo)擦(ca)膜的(de)(de)(de)(de)覆蓋率和(he)厚(hou)度，從而降(jiang)低摩(mo)擦(ca)系(xi)數；摩(mo)擦(ca)系(xi)數的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低可以減小(xiao)表(biao)(biao)層各個深(shen)度中(zhong)的(de)(de)(de)(de)摩(mo)擦(ca)剪應(ying)力，從而緩解塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)。在(zai)高(gao)外(wai)加電(dian)位(wei)下，鈍(dun)化膜的(de)(de)(de)(de)存在(zai)會阻礙(ai)和(he)抑(yi)制位(wei)錯在(zai)合(he)金(jin)表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)湮滅，導致(zhi)位(wei)錯向(xiang)深(shen)處發射和(he)表(biao)(biao)層的(de)(de)(de)(de)應(ying)力集中(zhong)，這(zhe)也會加劇表(biao)(biao)層的(de)(de)(de)(de)塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)[39]。

生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)磨(mo)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)特殊性還在(zai)(zai)(zai)于其(qi)處于生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)環境(jing)。生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附是(shi)最先發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)在(zai)(zai)(zai)植(zhi)入體(ti)材料表(biao)面(mian)行(xing)為(wei)。磨(mo)蝕(shi)過(guo)程(cheng)會對(dui)蛋白(bai)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)結構(gou)和(he)性質(zhi)(zhi)有(you)非常大的(de)(de)(de)(de)影響。在(zai)(zai)(zai)剪切(qie)應力(li)(li)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)下(xia)(xia)，蛋白(bai)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)二級(ji)結構(gou)會被破壞，并會脫(tuo)氫脫(tuo)水，形(xing)(xing)成富(fu)C物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)。研(yan)究[43]顯示(shi)在(zai)(zai)(zai)服役時間較(jiao)(jiao)長的(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)工(gong)(gong)髖(kuan)關(guan)(guan)節股頭(tou)和(he)髖(kuan)臼表(biao)面(mian)存在(zai)(zai)(zai)約10~200 nm厚(hou)度不(bu)均(jun)的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)(mo)，在(zai)(zai)(zai)其(qi)下(xia)(xia)方(fang)是(shi)約1 μm的(de)(de)(de)(de)納米晶粒層(ceng)(ceng)。通(tong)(tong)過(guo)X射線光電子(zi)能(neng)譜儀 （XPS） 掃描(miao)可(ke)見金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)(mo)中除了富(fu)含(han)C外，還有(you)復雜(za)的(de)(de)(de)(de)有(you)機金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)大分(fen)子(zi)。因(yin)此(ci)，這(zhe)層(ceng)(ceng)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成對(dui)人(ren)(ren)工(gong)(gong)髖(kuan)關(guan)(guan)節長效(xiao)(xiao)安(an)全服役起到重要作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。Liao等[40]對(dui)這(zhe)層(ceng)(ceng)膜(mo)(mo)進行(xing)了分(fen)析，認為(wei)這(zhe)層(ceng)(ceng)膜(mo)(mo)具(ju)有(you)石墨的(de)(de)(de)(de)特性。Yan等[41,42]通(tong)(tong)過(guo)對(dui)材料本身微(wei)觀組織的(de)(de)(de)(de)分(fen)析、材料表(biao)面(mian)能(neng)的(de)(de)(de)(de)變化等方(fang)面(mian)對(dui)常用(yong)(yong)人(ren)(ren)工(gong)(gong)關(guan)(guan)節材料進行(xing)了研(yan)究，認為(wei)高碳CoCrMo合金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)能(neng)較(jiao)(jiao)低，可(ke)以有(you)效(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附蛋白(bai)質(zhi)(zhi)，在(zai)(zai)(zai)摩(mo)擦力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)下(xia)(xia)，蛋白(bai)質(zhi)(zhi)與金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)離(li)子(zi)結合形(xing)(xing)成金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)(mo)，覆蓋(gai)在(zai)(zai)(zai)材料表(biao)面(mian)。金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)(mo)在(zai)(zai)(zai)力(li)(li) （摩(mo)擦）-電化學 （腐蝕(shi)）-生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)環境(jing)共同作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)下(xia)(xia)形(xing)(xing)成，它與環境(jing)中的(de)(de)(de)(de)蛋白(bai)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)成分(fen)和(he)結構(gou)有(you)較(jiao)(jiao)大區別，為(wei)有(you)機金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)化合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，并且(qie)隨著磨(mo)損時間的(de)(de)(de)(de)延長，膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)厚(hou)度和(he)成分(fen)會發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)變化。金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)(mo)能(neng)夠有(you)效(xiao)(xiao)潤滑(hua)人(ren)(ren)工(gong)(gong)關(guan)(guan)節表(biao)面(mian)，降低人(ren)(ren)工(gong)(gong)關(guan)(guan)節材料的(de)(de)(de)(de)腐蝕(shi)和(he)磨(mo)損速(su)率。因(yin)此(ci)研(yan)究這(zhe)種膜(mo)(mo)層(ceng)(ceng)結構(gou)在(zai)(zai)(zai)服役過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)演變過(guo)程(cheng)是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)磨(mo)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)熱點。

5 結論(lun)

生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)磨蝕(shi)現象主要(yao)集中(zhong)于(yu)人工(gong)植入體(ti)材料(liao)和(he)部件，如(ru)人工(gong)關節、人工(gong)牙種(zhong)植體(ti)等，在食品加(jia)工(gong)制備領(ling)域也有體(ti)現，但是(shi)(shi)由于(yu)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)磨蝕(shi)產物(wu)(wu)的(de)堆積對(dui)人體(ti)的(de)影響更大，因此對(dui)于(yu)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)磨蝕(shi)的(de)研究(jiu)主要(yao)是(shi)(shi)如(ru)何降(jiang)低反(fan)應速率和(he)減少反(fan)應產物(wu)(wu)。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)磨蝕(shi)過(guo)程是(shi)(shi)一(yi)個(ge)復雜的(de)過(guo)程，首先要(yao)分(fen)別研究(jiu)摩擦(ca)磨損、電(dian)化學(xue)腐蝕(shi)和(he)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)分(fen)子吸(xi)附的(de)影響，重點要(yao)明確這3個(ge)分(fen)量(liang)的(de)耦合作用。同時，研究(jiu)者不能局限(xian)于(yu)獲得摩擦(ca)系數、電(dian)化學(xue)電(dian)位(wei)、材料(liao)質量(liang)損失等參數，對(dui)材料(liao)表面結構變化的(de)研究(jiu)以及如(ru)何提(ti)高材料(liao)耐磨蝕(shi)性(xing)能是(shi)(shi)核心目(mu)標。