Dựa vào khoảng dịch chuyển ta có: lực ma sát tĩnh và lực ma sát động. Lực ma sát tĩnh là sự dịch chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái trượt. Lực ma sát động là lực ma sát x́t hiện trong q trình có chuyển đợng tương đối ở vùng tiếp xúc.
21
2.1.2 Hệ số ma sát
Hệ số ma sát là tham số được sử dụng nhằm mô tả sự ma sát giữa cặp vật liệu, phụ tḥc vào đặc tính cơ lý, vật lý và hóa học giữa hai bề mặt vật liệu [11]. Hệ số ma sát (µ) là mợt đại lượng khơng có đơn vị, là tỉ số của lực ma sát (Fms) với lực tác động (FN), được biểu diễn theo công thức 2.1:
𝜇 = 𝐹𝑚𝑠
𝐹𝑁 (2.1)
Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu của hai bề mặt tiếp xúc và trạng thái của bề mặt tiếp xúc. Hệ số ma sát là mợt đại lượng chỉ mang tính thực nghiệm, nó được xác định trong q trình thí nghiệm.
2.1.3 Bơi trơn khớp nhân tạo
Bề mặt kim loại cho dù được gia công trên các máy hiện đại nhất, khi có sự dịch chuyển tiếp xúc giữa hai bề mặt, lực ma sát xuất hiện làm cản trở sự dịch chuyển và làm bề mặt tiếp xúc nóng lên. Lực ma sát và nhiệt sinh ra gây sự mài mòn và gây hư hổng cho chi tiết. Bôi trơn (Lubrication) là biện pháp đưa dung dịch bôi trơn vào vùng ma sát nhằm làm giảm ma sát và mòn bảo vệ các bề mặt khi làm việc giúp các chi tiết hoạt đợng dễ dàng hơn, đảm báo tính truyền dẫn, giảm mất mát năng lượng cơ học, giảm sinh nhiệt và chống rung tốt.
Chế độ bôi trơn được chia thành ba loại: bôi trơn ướt (Fluid Film Lubrication), bôi trơn nữa ướt (Boundary Lubrication), bôi trơn hỗn hợp (Mixed Lubrication) [35]. Với chế độ bôi trơn ướt, hai bề mặt giữa vật liệu khi chuyển đợng tương đối với nhau thì khơng có sự tiếp xúc và được tách ra hoàn toàn bởi dung dịch bôi trơn. Bôi trơn nữa ướt là dạng bôi trơn mà giữa hai bề mặt của cặp vật liệu được ngăn cách không liên tục bằng một lớp dung dịch bôi trơn, mà chủ yếu là nhờ độ nhớt của dung dịch để bôi trơn. Bôi trơn hỗn hợp là trung gian giữa hai chế độ bôi trơn ướt và bôi trơn nữa ướt, khi bề dày lớp dung dịch tương đương với độ lồi lõm của bề mặt cặp vật liệu nên không được ngăn cách hồn tồn. Các chế đợ bơi trơn được biểu
22
diễn trong sơ đồ đường cong Stribeck (hình 2.2), thể hiện mối quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc độ dịch chuyển.
Hình 2.2 Đường cong Stribeck [35]
Dung dịch bơi trơn cũng được ứng dụng trong y học và đóng vai trị quan trọng trong việc bôi trơn trong tất cả các khớp nhân tạo [11]. Bôi trơn trong khớp háng nhân tạo rất quan trọng trong cơ thể con người làm giảm ma sát và mài mòn, kéo dài tuổi thọ của khớp háng nhân tạo. Trong khớp tự nhiên, dịch khớp cùng với sụn khớp tạo nên đặc tính bơi trơn tuyệt vời, có chức năng bơi trơn và giảm xóc cho các khớp khi vận đợng [36]. Dịch khớp có bốn thành phần chính bao gồm: hyaluronic acid (HA), huyết thanh (Albumin), phospholipid và γ–globulin [36].
HA xuất hiện một cách tự nhiên trong khắp cơ thể người, nhưng đặc biệt cần thiết cho bôi trơn của sụn và khớp. HA với nồng độ từ 3.0 đến 4.0 mg/ml trong dịch khớp ở người giúp duy trì đợ nhớt của dịch khớp làm cho khớp hoạt động được dễ dàng và chịu được tải trọng [37]. Ở khớp thối hóa, nồng đợ HA giảm đi làm giảm khả năng nuôi dưỡng sụn khớp và độ nhớt của dịch khớp cũng giảm theo làm hạn chế khả năng hoạt động của khớp. Phospholipid là một lipid trong tế bào ở dịch khớp của người với nồng độ từ 0.1 đến 0.2 mg/ml [37]. Phospholipid có vai trị quan trọng như một chất bôi trơn trong khớp với đặc tính hấp thụ các lipid khác. Với γ–globulin là một loại globulin trong các khớp tự nhiên với nồng độ 1.0 đến 4.2 mg/ml, γ–
23
protein trong dịch khớp ở cơ thể người trong khoảng từ 5.5 đến 50 mg/ml [38]. Trong nghiên cứu, huyết thanh bò (Bovine Serum Albumin – BSA) được sử dụng thay cho huyết thanh người là một protein lấy từ bị, đóng vai trị quan trọng trong việc cải thiện hệ số ma sát trong các chế độ bơi trơn Mợt chất bơi trơn khác có thể sử dụng cho việc bôi trơn trong khớp háng nhân tạo là dung dịch muối đệm phosphate (Phosphat Buffer Saline – PBS), là một dung dịch đệm được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu vật liệu y sinh nhân tạo.
Nồng đợ protein trong chất bơi trơn có tác đợng mạnh mẽ lên ma sát và mịn của các cặp vật liệu được sử dụng trong khớp nhân tạo [3]. Trong thực tế, nồng độ protein khác nhau thay đổi trong một phạm vi rộng, nồng đợ protein trong chất bơi trơn có ảnh hưởng lớn đến ma sát và mòn ở các cặp vật liệu y sinh nhân tạo được sử dụng trong khớp háng nhân tạo [28]. Nồng đợ protein trong dung dịch bơi trơn có tác dụng làm cho bề mặt vật liệu y sinh nhân tạo dễ dàng hấp thụ tạo nên một lớp màng mỏng giúp khớp hoạt động dễ dàng hơn, làm mát bề mặt tiếp xúc từ đo làm giảm hệ số ma sát ở các cặp vật liệu y sinh nhân tạo [18].
Trong q trình hoạt đợng của khớp háng nhân tạo, bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết chịu tác động của lực ma sát. Chi tiết ma sát sẽ bị mài mòn khi đó các hạt mài sẽ sinh ra có thể gây nguy hiểm cho con người. Đối với khớp háng nhân tạo, ma sát đóng mợt vai trị rất quan trọng trong việc truyền tải từ khớp háng nhân tạo đến xương, ma sát thấp trên bề mặt khớp làm giảm bớt sức ép lên bợ phận cố định cố định, và có thể cử đợng được dễ dàng.
2.2 Phương pháp đo ma sát
Thiết bị đo ma sát (Tribometer) là một thiết bị được sử dụng để đo ma sát và mòn giữa hai bề mặt vật liệu tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau. Thử nghiệm có thể được thực hiện trong điều kiện mơi trường, thiết bị khác nhau để kiểm tra tinh chính xác của bề mặt ma sát. Có nhiều thiết bị kiểm tra tính chất ma sát của bề mặt cặp vật liệu tiếp xúc, những thiết bị giúp tính tốn hệ số ma sát dựa trên nguyên lý mặt phẳng nghiêng hoặc nguyên lý lực kéo trượt trên bề mặt phẳng ngang [17].
24
Nhưng cơ bản nhất là mơ hình thiết bị đo ma sát với bề mặt trượt trên bề mặt của vật liệu khác. Việc kiểm tra đánh giá chất lượng và tính chất các lớp bề mặt đóng vai trị quan trọng, đặc biệt đánh giá sự ảnh hưởng của đợ nhám bề mặt đối với đặc tính ma sát giữa các bề mặt vật liệu.
Dựa vào tính chất ma sát cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, thiết bị được sử dụng xác định hệ số ma sát được nghiên cứu rợng rãi và có nhiều bước cải tiến rõ rệt. Thiết bị đánh giá hệ số ma sát và mòn của vật liệu y sinh nhân tạo được sử dụng trong phịng thí nghiệm bao gồm: Pin-on-Disc, Pin-on-Plate, Hip Simulator và thiết bị đo ma sát ở tỉ lệ micro/nano.
2.2.1 Thiết bị Pin-on-Disc
Thiết bị Pin-on-Disc (hình 2.3) được dùng để mơ phỏng, đánh giá đặc tính ma sát – mịn và được ứng dụng trong các trung tâm nghiên cứu và đào tạo liên quan đến ngành Cơ khí, Cơng nghệ vật liệu và trong Y học.
Hình 2.3 Thiết bị đo ma sát dạng Pin-on-Disc
Thiết bị hoạt đợng dựa trên ngun lý tính tốn ma sát tiếp xúc giữa đĩa quay với bề mặt chi tiết chốt thí nghiệm với điều kiện ma sát khơng có sử dụng dung dịch bơi trơn (khơ) và ma sát có sử dụng dung dịch bơi trơn được mơ tả như hình 2.4:
25
Hình 2.4 Phương pháp đo ma sát dạng Pin-on-Disc
Kết quả thí nghiệm từ mơ hình này có thể đáp ứng với đợ tin cậy cao với nguyên lý đo hệ số ma sát hoạt động đơn giản khi thay đổi các thông số đầu vào như độ nhám bề mặt của cặp vật liệu, lực tác động lên bề mặt tiếp xúc và được thí nghiệm ở điều kiện khi đo ma sát khơ và đo ma sát có sử dụng dung dịch bơi trơn để kiểm tra lực ma sát giữa bề mặt chốt tiếp xúc với bề mặt đĩa. Lực ma sát được đo bằng cảm biến mơmen lực, từ đó thu được dữ liệu đa dạng hơn về đối tượng cần nghiên cứu [17]. Hầu hết các hoạt động nghiên cứu liên quan đến đánh giá đặc tính ma sát – mịn của vật liệu được hiện trên thiết bị Pin-on-Disc.
2.2.2 Thiết bị Pin-on-Plate
Thiết bị Pin-on-Plate (hình 2.5) cũng như thiết bị Pin-on-Disc là một phương pháp đơn giản để đánh giá thông số ma sát của vật liệu với tốc độ trượt [20].
26
Thiết bị này đánh giá sự mài mòn khi hai vật liệu tiếp xúc với tốc độ trượt và tải tương ứng với sự chuyển động tịnh tiến qua lại. Với vật liệu chốt (Pin) và tấm (Plate) được thiết kế đơn giản, hoạt động theo nguyên lý trượt giữa hai bề mặt vật liệu được thể hiện cụ thể như hình 2.6 bên dưới:
Hình 2.6 Phương pháp đo ma sát dạng Pin-on-Plate
2.2.3 Hip Simulator
Hip Simulator (hình 2.7) là thiết bị được thiết kế để mơ phỏng chính xác các chuyển đợng, tải trọng và mơi trường trong khớp háng tự nhiên qua q trình hoạt động hằng ngày của con người. Thiết bị hoạt động với tốc độ gần như chu kỳ đi bợ bình thường của khớp háng tự nhiên. Hip Simulator là mơ hình thiết bị sử dụng phương pháp mơ phỏng giả lặp cho phép các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất và các chuyên gia trong ngành đánh giá hiệu suất ma sát và mòn của các cặp vật liệu nhân tạo dùng trong khớp háng nhân tạo.
27
Từ việc mô phỏng giả lập chuyển động giống như chuyển động thật của khớp tự nhiên, giúp tối ưu hóa và cải tiến thiết kế khớp nhân tạo trước khi sản xuất với quy mô lớn và trong phẫu thuật cấy ghép.
2.2.4 Thiết bị đo ma sát ở tỉ lệ micro/nano
Nghiên cứu ma sát ở cấp độ phân tử (tỉ lệ micro/nano) thường được thực hiện trên kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope – AFM). AFM là một kỹ thuật đo quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn trên kính hiển vi dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa đầu dò nhọn với bề mặt của mẫu ở tỉ lệ micro/nano như hình 2.8.
Hình 2.8 Sơ đồ cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử
Thiết bị đo ma sát ở tỉ lệ micro/nano được phát triển vào năm 1986 [39], AFM nhằm khắc phục những hạn chế của việc nghiên cứu vật liệu y sinh trên các thiết bị Pin-on- Disc, Pin-on-Plate và Hip Simulator, khi AFM đo những mẫu ở cấp độ nano, không làm vỡ bề mặt vật liệu mẫu khi đo với tải rất nhỏ [11].
28
Phương pháp này tuy vẫn đang phát triển nhưng đã có nhiều đóng góp quan trọng cho việc nghiên cứu vật liệu y sinh nhân tạo [11]. AFM còn hạn chế trong việc sử dụng do: qt ảnh trên mợt diện tích hẹp, tốc đọ ghi ảnh chậm, chất lượng ảnh phụ thuộc vào đầu dị, giá thành rất cao và đặc biệt có cơng nghệ chế tạo phức tạp.
29
CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐO MA SÁT DẠNG PIN-ON-DISC
3.1 Mơ hình thí nghiệm đo ma sát Pin-on-Disc
3.1.1 Lựa chọn mơ hình thí nghiệm
Thiết bị đánh giá ma sát dạng Pin-on-Disc là thiết bị đánh giá hệ số ma sát của vật liệu và các bề mặt được gia công theo các phương pháp khác nhau ở dạng chốt và đĩa. Hiện nay, thiết bị đánh giá ma sát dạng Pin-on-Disc đã được chế tạo trên thế giới rất nhiều và được bán với giá rất cao tới hàng trăm ngàn USD [40]. Thiết bị đánh giá đặc tính ma sát được trang bị ở Việt Nam còn rất hạn chế như ở Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự [40].
Do thiết bị có giá thành rất cao, hạn chế về nơi trang bị thiết bị thí nghiệm hồn chỉnh và với nguyên lý hoạt động đơn giản nên tác giả đã xây dựng và chế tạo mơ hình thí nghiệm dạng Pin-on-Disc sử dụng trong nghiên cứu để kiểm tra sự ảnh hưởng của độ nhám bề mặt, ảnh hưởng của điều kiện đo ma sát khơng có dung dịch bơi trơn (khơ) và có sử dụng dung dịch bôi trơn và sự ảnh hưởng của lực tác động đến hệ số ma sát của cặp vật liệu y sinh CoCrMo sử dụng cho chốt và UHMWPE sử dụng cho đĩa. Mơ hình này được chế tạo ra có cấu tạo và nguyên lý vận hành đơn giản, đáp ứng được yêu cầu đánh giá đặc tính ma sát của các bề mặt vật liệu y sinh nhân tạo. Mẫu chốt và đĩa có thể thay thế dễ dàng và có thể chế tạo từ các loại vật liệu khác nhau.
3.1.2 Ngun lý đo của mơ hình thí nghiệm đo má sát dạng Pin-on-Disc
Theo yêu cầu của đề tài đưa ra tác giả tiến hành xây dựng thiết bị đo ma sát dạng Pin- on-Disc theo nguyên lý tiếp xúc trượt giữa hai bề mặt của vật liệu chốt (Pin) và đĩa xoay (Disc) như hình 3.1 bên dưới: