人工心瓣热解炭力学性能研究

作     者：邢兴 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建辉

授予年度：2013年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：人工心瓣 热解炭 力学性能 有限元分析 损伤容限 

摘      要：本文内容是关于机械人工心瓣双叶瓣各向同性热解炭的力学性能研究。热解炭是气态烃受热分解、脱氢获得的一种炭材料，采用流化床化学气相沉积工艺可制备低温各向同性热解炭。低温各向同性热解炭材料具有足够的强度，十分耐磨，弯曲强度大、弹性模量低、断裂形变大于2%，在人体生理环境中还具有很好的化学惰性、良好的血液相容性，生物医学工程领域中，作为机械人工心脏瓣膜涂层而广泛应用于心瓣置换手术。然而，热解炭是一种脆性材料，在沉积制备和加工过程中，可能出现孔洞、裂纹和分层缺陷，直接影响其使用性能，导致心瓣组件的结构失效。因此，热解炭材料的力学性能分析对人工心瓣组件结构可靠性设计具有重要意义。 本文进行各向同性热解炭材料力学性能的测试与分析，研究了热处理对人工心瓣热解炭结构和性能的影响，并对其断裂力学性能开展了实验和计算，为人工心瓣热解炭力学性能的评价测试方法确定提供了结果预测和理论基础。具体研究工作如下： 1.测定了热处理前后各向同性热解炭材料的各项力学性能参数(包括弹性模量、弯曲强度和显微硬度)，分析了热处理前后材料力学性能变化的原因。结果显示，材料经热处理之后，弹性模量和显微硬度均略微降低，弯曲强度的变化则不确定。热处理之后材料力学性能变化可能与热处理引起材料内部孔隙结构变化有关。 2.利用三点弯曲实验和有限元仿真法分析了热解炭和热解炭包覆石墨材料的断裂韧性。结果显示，材料断裂韧性有限元计算结果准确性较高;复合材料断裂韧性值随涂层与基体厚度比降低而升高，且在厚度比小于2时，复合材料断裂性能优于纯热解炭和石墨材料;热解炭包覆石墨材料存在临界裂纹尖端半径ρ(约5m)，当裂纹尖端半径ρρ时，K测量值与ρ成正比，而当ρρ时，KIC测量值趋于稳定，并与尖锐裂纹尖端样品测量值一致。 3.采用有限元分析法研究了人工心瓣瓣片的运行应力和残余热应力分布，并依据损伤容限设计理念对国产某类型机械人工心瓣双叶瓣瓣片进行了结构安全寿命预测。结果显示，人工心瓣瓣片最大运行拉应力为61.272MPa，出现在瓣片耳肩区域;最大残余热应力为26.536MPa，出现在瓣片B基准位置;设计寿命为100年时，人工心瓣瓣片的初始裂纹尺寸不得大于81.4m。