本文關(guān)鍵詞：人工心瓣熱解炭涂層殘余應(yīng)力研究

  更多相關(guān)文章： 人工心瓣 熱解炭 殘余應(yīng)力 X射線衍射法 有限元分析 熱處理

【摘要】：人工機(jī)械心瓣是用來替代人體病變心臟瓣膜所用，通過心瓣置換手術(shù)可以挽救患者生命。熱解炭材料是氣態(tài)烴在高溫作用下脫氫后沉積在基體表面形成的炭材料，在熱解炭中共沉入硅后，既不明顯降低其抗凝血性能又可提高其強(qiáng)度與耐磨性，是作為人工心瓣涂層的首選材料。在含硅熱解炭涂層制備的過程中，由于沉積條件的不穩(wěn)定及涂層與基體材料的性質(zhì)差異等原因會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。對(duì)于人工心瓣含硅熱解炭涂層，殘余應(yīng)力問題非常重要，過大的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋乃至斷裂，直接關(guān)系到瓣片的成品率、可靠性和壽命。 因此，本文針對(duì)人工心瓣含硅熱解炭材料的殘余應(yīng)力問題，對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試分析；利用X射線衍射法結(jié)合有限元對(duì)含硅熱解炭涂層的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究與探討，同時(shí)研究了熱處理對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響。相關(guān)研究工作與成果如下： （1）利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀分別測(cè)定人工心瓣含硅熱解炭涂層的物相與微觀結(jié)構(gòu)；利用納米壓痕儀與熱膨脹儀分別測(cè)試人工心瓣含硅熱解炭涂層的硬度、彈性模量及熱膨脹系數(shù)。結(jié)果表明：材料物相組成為β-SiC和亂層結(jié)構(gòu)熱解炭，硅含量約為6.41wt%；涂層主要由直徑約0.3~1μm的類球形顆粒組成，顆粒間偶有閉合孔隙出現(xiàn)；涂層彈性模量與硬度平均值分別為38.036Gpa與2.639Gpa，熱膨脹系數(shù)大小約為7.4×10-6/℃。 （2）利用X射線衍射法檢測(cè)含硅熱解炭涂層，得到其表面殘余應(yīng)力性質(zhì)為壓應(yīng)力，兩個(gè)樣品測(cè)試值分別為-29.5MPa與-10MPa。涂層內(nèi)熱應(yīng)力性質(zhì)為壓應(yīng)力，且相較本征應(yīng)力在殘余應(yīng)力中所占比重較大，二者共同導(dǎo)致涂層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。有限元分析結(jié)果表明：涂層熱應(yīng)力性質(zhì)應(yīng)為壓應(yīng)力，并且隨著沉積溫度、彈性模量的增加呈遞增趨勢(shì)。涂層厚度對(duì)熱應(yīng)力有較顯著影響，，增加涂層厚度有助于減少熱應(yīng)力。熱應(yīng)力在厚度方向呈梯度分布，涂層受壓應(yīng)力，并沿著厚度方向增大，應(yīng)力值在涂層與基體交界處達(dá)到最大。 （3）利用X射線衍射法與有限元法研究試樣中SiC相殘余應(yīng)力。結(jié)果表明：兩個(gè)樣品中SiC相殘余應(yīng)力大小分別為-7MPa與-9MPa，性質(zhì)均為壓應(yīng)力；有限元結(jié)果表明顆粒的尺寸對(duì)材料熱應(yīng)力的影響并不明顯，SiC顆粒內(nèi)熱應(yīng)力大小為-6MPa左右，與實(shí)驗(yàn)值有較好吻合。 （4）熱處理后熱解炭的石墨化程度提高，炭層間距（d002）與晶粒尺寸（Lc）分別減小與增大，并且晶粒排列更加有序。熱處理后材料孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大孔隙減少，孔隙密度增加，分布更加均勻。熱處理后材料硬度明顯降低，彈性模量減小，熱膨脹系數(shù)略有增高。材料性能變化的主要原因可能是熱處理導(dǎo)致的材料內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)與分布的改變。熱處理使得涂層熱膨脹系數(shù)與彈性模量發(fā)生變化，是一種效緩解涂層中殘余應(yīng)力的手段。
【關(guān)鍵詞】：人工心瓣 熱解炭 殘余應(yīng)力 X射線衍射法 有限元分析 熱處理
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R318.11
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 人工心瓣簡(jiǎn)介11-13
• 1.1.1 人工心瓣的分類11-12
• 1.1.2 人工機(jī)械心瓣的發(fā)展歷程12-13
• 1.2 熱解炭材料簡(jiǎn)介13-15
• 1.2.1 熱解炭制備工藝14
• 1.2.2 含硅熱解炭的結(jié)構(gòu)與性能14-15
• 1.3 人工心瓣熱解炭涂層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響15-21
• 1.3.1 殘余應(yīng)力分類16
• 1.3.2 殘余應(yīng)力的來源16-18
• 1.3.3 殘余應(yīng)力的危害18-19
• 1.3.4 殘余應(yīng)力測(cè)量手段19-21
• 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-24
• 1.4.1 熱解炭結(jié)構(gòu)與性能研究21-23
• 1.4.2 涂層殘余應(yīng)力研究23-24
• 1.5 本文研究意義及主要內(nèi)容24-25
• 第2章 樣品制備與實(shí)驗(yàn)方法25-29
• 2.1 引言25
• 2.2 含硅熱解炭沉積工藝25-27
• 2.2.1 化學(xué)氣相沉積裝置25-26
• 2.2.2 含硅熱解炭涂層制備源材料及過程26-27
• 2.2.3 沉積工藝參數(shù)設(shè)置27
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法27-29
• 2.3.1 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試及分析27-28
• 2.3.2 性能測(cè)試及分析28
• 2.3.3 殘余應(yīng)力測(cè)試28
• 2.3.4 熱處理工藝28-29
• 第3章 人工心瓣熱解炭涂層結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試29-37
• 3.1 引言29
• 3.2 涂層結(jié)構(gòu)分析29-33
• 3.2.1 X 射線分析29-30
• 3.2.2 掃描電鏡與能譜儀分析30-33
• 3.3 涂層性能分析33-36
• 3.3.1 彈性模量與硬度33-35
• 3.3.2 熱膨脹系數(shù)測(cè)試35-36
• 3.4 本章小結(jié)36-37
• 第4章 人工心瓣熱解炭涂層殘余應(yīng)力分析37-52
• 4.1 引言37
• 4.2 X 射線衍射法測(cè)量涂層殘余應(yīng)力37-41
• 4.2.1 X 射線衍射法的優(yōu)點(diǎn)37-38
• 4.2.2 X 射線法測(cè)量原理38-40
• 4.2.3 定峰方法40
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析40-41
• 4.3 熱應(yīng)力與本征應(yīng)力分析41-43
• 4.4 人工心瓣熱解炭涂層熱應(yīng)力有限元分析43-47
• 4.4.1 有限元模型43-44
• 4.4.2 材料屬性44
• 4.4.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件44
• 4.4.4 分析步及求解44-45
• 4.4.5 結(jié)果后處理與分析45
• 4.4.6 工藝參數(shù)對(duì)熱應(yīng)力的影響45-47
• 4.5 涂層中 SiC 相的殘余應(yīng)力分析47-51
• 4.5.1 X 衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力48-49
• 4.5.2 SiC 相熱應(yīng)力模擬49-51
• 4.6 本章小結(jié)51-52
• 第5章 熱處理對(duì)人工心瓣熱解炭涂層的影響52-58
• 5.1 引言52
• 5.2 熱處理對(duì)人工心瓣熱解炭涂層結(jié)構(gòu)的影響52-54
• 5.2.1 熱處理對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響52-53
• 5.2.2 熱處理對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響53-54
• 5.3 熱處理對(duì)人工心瓣熱解炭涂層性能的影響54-56
• 5.3.1 熱處理對(duì)硬度的影響54-55
• 5.3.2 熱處理對(duì)彈性模量的影響55-56
• 5.3.3 熱處理對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響56
• 5.4 本章小結(jié)56-58
• 第6章 總結(jié)與展望58-60
• 6.1 總結(jié)58-59
• 6.2 展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 附錄65

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：886128