人工心瓣热解炭涂层残余应力研究

【摘要】人工机械心瓣是用来替代人体病变心脏瓣膜所用，通过心瓣置换手术可以挽救患者生命。热解炭材料是气态烃在高温作用下脱氢后沉积在基体表面形成的炭材料，在热解炭中共沉入硅后，既不明显降低其抗凝血性能又可提高其强度与耐磨性，是作为人工心瓣涂层的首选材料。在含硅热解炭涂层制备的过程中，由于沉积条件的不稳定及涂层与基体材料的性质差异等原因会导致涂层内部产生残余应力。对于人工心瓣含硅热解炭涂层，残余应力问题非常重要，过大的残余应力会导致涂层出现裂纹乃至断裂，直接关系到瓣片的成品率、可靠性和寿命。因此，本文针对人工心瓣含硅热解炭材料的残余应力问题，对涂层微观结构及相关性能进行测试分析；利用X射线衍射法结合有限元对含硅热解炭涂层的残余应力进行了研究与探讨，同时研究了热处理对其微观结构与性能的影响。相关研究工作与成果如下：（1）利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪分别测定人工心瓣含硅热解炭涂层的物相与微观结构；利用纳米压痕仪与热膨胀仪分别测试人工心瓣含硅热解炭涂层的硬度、弹性模量及热膨胀系数。结果表明：材料物相组成为β-SiC和乱层结构热解炭，硅含量约为6.41wt%；涂层主要由直径约0.3~1μm的类球形颗粒组成，颗粒间偶有闭合孔隙出现；涂层弹性模量与硬度平均值分别为38.036Gpa与2.639Gpa，热膨胀系数大小约为7.4×10-6/℃。（2）利用X射线衍射法检测含硅热解炭涂层，得到其表面残余应力性质为压应力，两个样品测试值分别为-29.5MPa与-10MPa。涂层内热应力性质为压应力，且相较本征应力在残余应力中所占比重较大，二者共同导致涂层残余应力的产生。有限元分析结果表明：涂层热应力性质应为压应力，并且随着沉积温度、弹性模量的增加呈递增趋势。涂层厚度对热应力有较显著影响，增加涂层厚度有助于减少热应力。热应力在厚度方向呈梯度分布，涂层受压应力，并沿着厚度方向增大，应力值在涂层与基体交界处达到最大。（3）利用X射线衍射法与有限元法研究试样中SiC相残余应力。结果表明：两个样品中SiC相残余应力大小分别为-7MPa与-9MPa，性质均为压应力；有限元结果表明颗粒的尺寸对材料热应力的影响并不明显，SiC颗粒内热应力大小为-6MPa左右，与实验值有较好吻合。（4）热处理后热解炭的石墨化程度提高，炭层间距（d002）与晶粒尺寸（Lc）分别减小与增大，并且晶粒排列更加有序。热处理后材料孔隙结构发生变化，大孔隙减少，孔隙密度增加，分布更加均匀。热处理后材料硬度明显降低，弹性模量减小，热膨胀系数略有增高。材料性能变化的主要原因可能是热处理导致的材料内孔隙结构与分布的改变。热处理使得涂层热膨胀系数与弹性模量发生变化，是一种效缓解涂层中残余应力的手段。
【作者】杨欢；
【导师】张建辉；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】人工心瓣；热解炭；残余应力；X射线衍射法；有限元分析；热处理；

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