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人工心瓣热解炭材料断裂性能研究

人工心瓣热解炭材料断裂性能研究

作者：刘刚杭州电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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人工心瓣热解炭涂层的密度和孔隙结构研究

功能材料 2015年第9期46卷 9072-9075页

作者：张建辉宋银超杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018

研究了人工心瓣热解炭涂层的密度和孔隙结构。采用准稳态流化床化学气相沉积工艺制备出人工心瓣用高密度各向同性热解炭涂层,利用密度计、扫描电镜、透射电镜、压汞仪等分析了热解炭涂层的密度和孔隙结构。结果表明:高密度各向同性热解... 详细信息

研究了人工心瓣热解炭涂层的密度和孔隙结构。采用准稳态流化床化学气相沉积工艺制备出人工心瓣用高密度各向同性热解炭涂层,利用密度计、扫描电镜、透射电镜、压汞仪等分析了热解炭涂层的密度和孔隙结构。结果表明:高密度各向同性热解炭的孔隙主要是由类球形生长特性间0.83μm左右的较大孔隙和62nm左右的中等孔隙以及类球形生长特性内缠结体结构所形成的微孔隙构成,缠结体之间形成的微孔隙能够导致热解炭密度的降低,热解炭类球形颗粒的多少也会对高密度各向同性热解炭的密度造成影响。

关键词：人工心瓣热解炭密度孔隙结构

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人工心瓣含硅热解炭涂层的微观结构

中国生物医学工程学报 2011年第5期30卷 757-761页

作者：张建辉孙海博王根明郭鹏海杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018 兰州兰飞医疗器械有限公司兰州730070

为了研究人工心瓣含硅热解炭涂层的微观结构,利用准稳态流化床反应装置制备出了含硅热解炭涂层,利用X射线衍射(XRD)、X射线能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和偏光显微镜(PLM)对涂层微观结构进行了表征。结果表明,该涂层材料... 详细信息

为了研究人工心瓣含硅热解炭涂层的微观结构,利用准稳态流化床反应装置制备出了含硅热解炭涂层,利用X射线衍射(XRD)、X射线能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和偏光显微镜(PLM)对涂层微观结构进行了表征。结果表明,该涂层材料只有乱层结构热解炭和β型碳化硅两种物相,主要由直径为300 nm～1μm的球形颗粒状碳结构组成,球形颗粒之间由片层状碳结构紧密相连,偶尔会形成闭合孔洞(直径约为0.1～1μm)。涂层中硅元素宏观均匀分布且含量适中(6.48 wt%),直径约6～8 nm的β型碳化硅晶粒无规则取向分布且存在微观尺度的集聚现象。含硅热解炭涂层的这些结构特征决定了其均匀致密、宏观各向同性的特性。

关键词：人工心瓣含硅热解炭微观结构

人工心瓣用热解炭断裂韧性研究及断口形貌分析

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中国生物医学工程学报 2020年第1期39卷 119-123页

作者：张建辉阮叶鹏孙振国杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018

人工心瓣中常用材料主要是包覆在石墨基体上的热解炭。为研究人工心瓣用热解炭材料断裂韧性,采用MTS电动力学测试系统,对石墨、纯热解炭及不同厚度热解炭包覆石墨复合材料4种DC(T)圆盘样品进行紧凑拉伸实验,利用实验所得数据绘制载荷-位... 详细信息

人工心瓣中常用材料主要是包覆在石墨基体上的热解炭。为研究人工心瓣用热解炭材料断裂韧性,采用MTS电动力学测试系统,对石墨、纯热解炭及不同厚度热解炭包覆石墨复合材料4种DC(T)圆盘样品进行紧凑拉伸实验,利用实验所得数据绘制载荷-位移(P-V)曲线,根据ASTM标准E399规定的方法确定临界载荷值以及计算断裂韧性值,并对样品断口形貌进行显微观察。结果表明:两种热解炭包覆石墨复合材料断裂韧性值大于纯热解炭以及石墨的相应值,石墨断裂韧性值大于纯热解炭断裂韧性值;在热解炭包覆石墨复合材料中,涂层与基体厚度比值大的对应断裂韧性值反而小;显微观察热解炭断口较为平整,石墨断口较为粗糙,且热解炭及石墨在裂纹扩展区以及过载断裂区的断口形貌基本上是一致的。

关键词：人工心瓣热解炭临界载荷断裂韧性断口形貌

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人工心瓣含硅热解炭涂层残余应力分析

表面技术 2014年第1期43卷 7-10,58页

作者：杨欢张建辉杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018

目的研究人工心瓣含硅热解炭涂层的残余应力。方法通过化学气相沉积法制备含硅热解炭涂层,并对涂层进行物相与结构分析。利用X射线衍射法测定涂层表面SiC相残余应力,采用有限元法模拟含硅热解炭涂层表面残余应力情况。结果试样只包含热... 详细信息

目的研究人工心瓣含硅热解炭涂层的残余应力。方法通过化学气相沉积法制备含硅热解炭涂层,并对涂层进行物相与结构分析。利用X射线衍射法测定涂层表面SiC相残余应力,采用有限元法模拟含硅热解炭涂层表面残余应力情况。结果试样只包含热解炭与SiC两种物相,SiC颗粒尺寸小于10μm,分散在热解炭基质中。X射线衍射法测得两个试样SiC相残余应力值分别为-7,-9 MPa,有限元分析得出颗粒内残余应力约-6 MPa。结论 SiC相残余应力为压应力,有限元分析结果与实验值有较好的吻合。颗粒的尺寸对材料残余应力的影响并不明显。

关键词：人工心瓣热解炭 SiC 残余应力 X射线衍射有限元

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人工心瓣设计的过去、现在和未来

成都科技大学学报 1989年第4期 83-88,96页

作者：邹盛铨成都科技大学城建环保学院工程力学系

本文总结了人工心瓣包括笼球瓣、笼碟瓣、斜碟瓣、双叶瓣和生物瓣的一些设计考虑。根据不同的研究者在体外试验中得到的数据,我们分析和比较了各种人工心瓣的血流动力学特性,并对人工心瓣将来的发展作了预测。

关键词：人工心瓣类型设计

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人工心瓣热解炭涂层残余应力研究

人工心瓣热解炭涂层残余应力研究

作者：杨欢杭州电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

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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人工心瓣热解炭涂层结合强度研究

人工心瓣热解炭涂层结合强度研究

作者：韦静杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本文对人工心瓣热解炭涂层结合强度进行了研究。人工心瓣包括人工机械心瓣以及生物瓣，本文所研究的是人工机械心瓣，下文所说的人工心瓣皆指人工机械心瓣。在各种涂层材料中，低温各向同性热解炭具有足够的强度及耐磨性，弯曲强度大，... 详细信息

本文对人工心瓣热解炭涂层结合强度进行了研究。人工心瓣包括人工机械心瓣以及生物瓣，本文所研究的是人工机械心瓣，下文所说的人工心瓣皆指人工机械心瓣。在各种涂层材料中，低温各向同性热解炭具有足够的强度及耐磨性，弯曲强度大，弹性模量低，同时具有良好的化学惰性和血液相容性，因此广泛用作人工心瓣的涂层材料。人工心瓣一旦植入人体，一年需要启闭四千万到五千万次，输送血液总量达四千万吨，在这样的环境中需要持续工作数十年，而目前瓣膜的耐久性尚不能完全保证如此长的使用时间，因磨损、腐蚀、疲劳和断裂等结构损坏引起的失效时有发生。热解炭涂层与石墨基体的界面是整个结构中比较容易失效的部位，一旦界面处出现裂纹、开裂、脱粘等情况，人工心瓣就无法继续正常工作。因此，提高热解炭涂层与石墨基体的结合强度对于延长人工心瓣的整体寿命有很大的意义。本文综合考虑了多种涂层基体结合强度的表征方法，根据热解炭涂层与石墨基体的材料特性以及样品制备的特殊性，选择改进的剪切测试法定量测量了热解炭涂层石墨基体的剪切结合强度值。在试验的基础上，利用有限元软件分析了在承受剪切应力时，涂层厚度、涂层弹性模量以及残余应力对涂层基体结合强度的影响。此外由于热解炭涂层石墨基体也很容易发生接触破坏，较高的接触应力会使系统产生细小的裂纹或者加速原先存在的裂纹的扩展，因此在有限元基础上，对热解炭涂层的赫兹接触进行了模拟，分析球形压头压入涂层表面时整个系统的受力情况，以及涂层厚度、弹性模量对赫兹接触下涂层基体结合强度的影响。主要研究内容及结果如下：（1）采用改进的剪切测试法，自行设计及制作夹具，在瑞格尔万能材料拉伸试验机上进行定量测量，得到热解炭涂层石墨基体的平均剪切结合强度为。（2）基于有限元分析软件，对试验的加载及约束进行了模拟，计算得到界面最大剪切应力值为，界面平均剪切应力值为，验证了有限元模型的正确性。（3）在上述模型的基础上，分析得到在承受平行于界面的剪切应力时，较薄的涂层厚度以及较大的涂层弹性模量有利于热解炭涂层与石墨基体的结合。（4）同样基于，采用热结构耦合分析的方法研究不同的沉积温度下界面剪切应力的变化，通过沉积温度建立起残余应力与界面结合强度的关系，沉积温度较低时残余应力较小，对界面结合有利。（5）同样利用有限元软件分析球形压头压入热解炭涂层石墨基体系统表面时整个系统的受力情况，分析得到最易发生失效的部位是涂层表面与球形压头接触的区域以及该区域正下方的第一层界面处。（6）分析在承受接触应力的情况下涂层厚度以及弹性模量对界面结合强度的影响，涂层厚度较厚、弹性模量较小时，对热解炭涂层与石墨基体结合较为有利。

关键词：人工心瓣界面结合强度剪切测试有限元分析赫兹接触

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人工心瓣热解炭力学性能研究

人工心瓣热解炭力学性能研究

作者：邢兴杭州电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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ρ>ρ时，K测量值与ρ成正比，而当ρ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。

关键词：人工心瓣热解炭力学性能有限元分析损伤容限