【摘要】：人工機械心瓣是一種能夠?qū)崿F(xiàn)天然心臟瓣膜功能，代替出現(xiàn)病變心瓣的人工器官，它主要是由各向同性熱解炭材料制成。各向同性熱解炭是采用流化床化學氣相沉積法制備的，由于其在人體生理環(huán)境中具有良好的抗血凝性能、生物相容性以及優(yōu)良的力學性能，是目前公認最好的用于制造人工機械心瓣的材料。密度、硬度和孔隙結(jié)構(gòu)是熱解炭材料的重要參數(shù)，它們直接影響材料的耐磨性、楊氏模量、斷裂強度等機械性能。 本文綜合考慮了熱解炭沉積的影響因素，利用流化床化學氣相沉積工藝，在不同沉積溫度和丙烷氣體濃度條件下制備出低溫各向同性熱解炭材料，利用密度計測量試樣密度，利用掃描電鏡觀察試樣自然斷面形貌，利用透射電鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)，利用壓汞儀測量高密度低溫各向同性熱解炭的孔隙結(jié)構(gòu)，利用顯微硬度計測量所制備的熱解炭試樣的顯微硬度。結(jié)合以上實驗結(jié)果，分析了不同沉積條件下制備的熱解炭的結(jié)構(gòu)及其性能的變化規(guī)律，并繪制了不同沉積條件下低溫各向同性熱解炭的沉積模型圖。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： （1）研究了低溫各向同性熱解炭隨沉積條件的密度變化。結(jié)果表明，較低沉積溫度以及較低的丙烷濃度條件下能夠沉積得到密度較高的各向同性熱解炭，隨著沉積溫度以及丙烷氣體濃度的升高，熱解炭的密度逐漸降低，對于中低濃度（25%~40%）的丙烷氣體來說，沉積溫度對熱解炭密度的變化影響更大；高溫（1350~1450℃）以及高濃度（60%）的丙烷氣體能夠顯著降低熱解炭的密度。 （2）研究了人工機械心瓣用高密度各向同性熱解炭的孔隙結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，高密度各向同性熱解炭的孔隙主要由類球形生長特性間的孔隙和類球形生長特性內(nèi)的孔隙兩部分構(gòu)成；類球形生長特性間的孔隙主要由0.83μm左右的較大孔隙和62nm左右的中孔組成，生長特性內(nèi)的孔隙主要是由纏結(jié)體結(jié)構(gòu)形成的微孔隙。 （3）研究了熱解炭密度和微觀孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明，相似密度熱解炭的孔隙結(jié)構(gòu)并不相同；生長特性間的孔隙的分布對高密度熱解炭的密度有較大的影響。 （4）研究了低溫各項同性熱解炭隨沉積條件的顯微硬度變化。結(jié)果表明，隨著沉積溫度和丙烷氣體濃度的升高，熱解炭的顯微硬度逐漸降低；較低的沉積溫度和較低的丙烷濃度條件下能夠沉積得到顯微硬度較高的熱解炭；對于中低濃度（25%~40%）的丙烷氣體來說，沉積溫度對熱解炭的顯微硬度影響更大；高溫（1350~1450℃）以及高濃度（60%）的丙烷氣體能夠顯著降低熱解炭的顯微硬度。 （5）研究了不同沉積條件下，流化床化學氣相沉積制備的低溫各向同性熱解炭的沉積機制。結(jié)果表明，低溫、低丙烷濃度條件下沉積的熱解炭均勻致密、孔隙較小較少；低溫、高丙烷濃度條件下沉積的熱解炭類球形顆粒較多較大，，直徑可達1.5μm左右，類球形顆粒間的孔隙也較多較大；高沉積溫度條件下沉積的熱解炭類球形顆粒較多較小，隨著丙烷濃度的升高，類球形顆粒進一步變小至0.5μm以下，類球形顆粒間產(chǎn)生大量的孔隙，并伴隨有炭黑的形成。
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杭州電子科技大學碩士學位論文 炭材料碳的存在形式非常廣泛，空氣、生物體內(nèi)都有碳元素的存在[21]。50 萬年前的北京猿學會使用了火，從而人為產(chǎn)生了木炭，可以認為炭材料是人類第一個采用化學方法料。金剛石是自然界中最硬的材料，而石墨則是最軟的材料，而這兩者都是由炭組料；即具有良好的導電性，又可以作為絕緣體，既可以用于摩擦材料，又可以用于等。總體上來看，炭材料在摩擦磨損、熱學、力學、電學等方面既矛盾又統(tǒng)一[21]。碳是一種非金屬元素，位于元素周期表的第二周期 IVA 族，原子量為 12.001，原子 6 個電子。現(xiàn)代已知 C 共有 15 種同位素，其中包含 C8至 C22。碳材料根據(jù)結(jié)構(gòu)大致可以被分為三類：晶型碳、過渡態(tài)碳、無定型碳，圖 1.1 是碳示意圖。

圖 1.1 是碳材料分類示意圖。圖 1.1 碳材料分類示意圖1.2 熱解炭熱解炭是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的氣相沉積碳。盡管早在一百多年以前，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳氫化合物在足夠高的溫度下可以熱解游離出碳，但生產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)化卻在 20 世紀 50 年代末期才逐漸發(fā)展起來。由于熱解炭的生成過程較為復雜，適當?shù)恼{(diào)整一下生產(chǎn)工藝就可以得到性能變化很大的熱解炭，因此熱解炭成為了一種引人注目的新型炭材料。1.2.1 熱解炭的用途最初的時候，熱解炭材料被用于包覆核燃料顆粒的涂層[11]。TRISO 包覆核燃料顆粒一般是由不同的熱解炭層所包裹，比如如圖 1.2 所示的外致密熱解炭層（OPyC）、內(nèi)致密熱解炭層（IPyC）、疏松熱解炭層（Buffer）等，而這些熱解炭層全部都是各向同性的[22]。熱解炭由于具有耐熱性、熱傳導性、低密度和高強度等優(yōu)點，常被制作成炭/炭復合材料用于航空航天領(lǐng)域。含熱解炭的復合材料是采用化學氣相滲透（CVI）工藝，將預制增強體置于化學氣相滲透爐中，在預制體中的炭纖維空隙和周圍，碳氫化合物氣體形成熱解炭沉積下來，最終形成被熱解炭包裹的炭/炭復合材料[23]。這種復合材料具有耐高溫、比重輕、抗燒蝕性能好和耐摩擦磨損性能優(yōu)異等特點
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11

【參考文獻】

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本文編號：2517326