人工心瓣热解炭材料断裂性能研究

作     者：刘刚 

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：2022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] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：人工心瓣 热解炭 裂纹初始起裂角 断口形貌 裂纹扩展 断裂机制 

摘      要：热解炭是一种类陶瓷的硬脆性材料,因其具有出色的化学稳定性以及良好的生物相容性等特点,在生物医学领域常用作人工机械心脏瓣膜的涂层材料。植入人体的人工机械心脏瓣膜工作于复杂的生理环境当中,且瓣片表面热解炭涂层长期承受血流的循环冲击作用,涂层表面可能会因空化气蚀等原因的影响出现微小裂纹缺陷。随着时间的推移,这些微小裂纹可能会扩展形成宏观裂纹,甚至导致瓣片发生断裂,致使人工机械心脏瓣膜可靠性降低甚至完全失效,威胁瓣膜植入者的生命健康。因此,针对人工机械心脏瓣膜用热解炭材料断裂性能展开研究对预测心瓣有效寿命及提高其结构稳定性具有重要意义。本文采用实验与数值模拟等方法对热解炭材料断裂性能展开研究,采用ABAQUS有限元联合FRANC3D断裂分析软件计算热解炭表面复合型裂纹初始起裂角,并对其裂纹扩展进行仿真分析;采用MTS疲劳试验机对热解炭及热解炭石墨复合材料圆盘试样进行紧凑拉伸实验,通过显微镜观察试样断口形貌并分析断裂机制。具体研究内容如下:1.采用ABAQUS联合FRANC3D软件对人工机械心脏瓣膜热解炭涂层表面中心半椭圆形裂纹初始起裂角进行分析计算。结果表明:半椭圆形裂纹初始起裂角关于裂纹前缘中心节点对称,裂纹扩展方向相反;裂纹深度恒定时,I型裂纹初始起裂角随裂纹倾斜角的增大而增大,II型裂纹初始起裂角随裂纹倾斜角的增大先减小后增大;裂纹倾斜角恒定时,裂纹深度越小,对模型表面裂纹初始起裂角的影响越大,且裂纹深度对I型裂纹初始起裂角的影响程度大于II型裂纹。2.采用MTS疲劳试验机制备热解炭及热解炭石墨复合材料圆盘试样断口,并利用光学显微镜与扫描电子显微镜对试样断口形貌进行观察分析。结果表明:光学显微镜下的热解炭断口相对石墨断口更为平整,石墨断口因存在较多颗粒物而相对粗糙;扫描电子显微镜下的热解炭断口表现为柱状颗粒和片层状形貌,断裂类型主要为沿晶断裂,而石墨断口存在大量白色解理面以及晶粒脱落形成的微孔,断裂类型主要为穿晶断裂;热解炭等类陶瓷材料的裂纹扩展过程是内在损伤机制与外在屏蔽机制共同作用的结果。3.采用ABAQUS联合FRANC3D软件研究人工心瓣热解炭涂层的裂纹扩展过程。讨论裂纹深度与倾斜角对裂纹扩展行为的影响。结果表明:瓣片运行应力最大值出现在瓣片耳肩区,该区域存在明显的应力集中现象;拉伸载荷作用下,减小裂纹深度与增大裂纹倾斜角可以降低热解炭材料疲劳裂纹扩展速率,提高人工心瓣的使用寿命。