人工心瓣热解炭断裂性能研究

【摘要】本文内容是研究人工心瓣各向同性热解炭的断裂性能。各向同性热解炭是采用流化床化学气相沉积法制备的，热解炭的化学气相沉积是指碳氢化合物在气态条件下在反应装置中发生化学裂解反应，生成的碳原子重新沉积在加热的固态基体表面，最后得到热解炭的工艺技术。如果在制备的过程中沉入一定量的硅就成了含硅各向同性热解炭。两者都具有优良地抗血凝性及生物相容性，并且强度高、耐磨性好，在生物医学工程领域中被广泛应用，已经成为制备人工机械心瓣最重要的材料。由于制备工艺条件不够成熟及材料本身的脆性，导致人工心瓣热解炭存在孔隙、裂纹以及分层等缺陷，在体内持续载荷的作用下容易发生裂纹扩展甚至断裂，最终可能导致结构的失效，影响心瓣置换患者的生命。因此，分析人工心瓣各向同性解热炭的疲劳裂纹扩展以及断裂性能，对提高人工心瓣的可靠性起着非常关键的作用。本文对人工机械心瓣热解炭断裂性能进行研究。主要研究内容如下：（1）采用有限元软件ABAQUS和断裂分析软件FRANC3D（V6.0），对人工机械心瓣热解炭试样初始裂纹处应力强度因子计算，与基于实验基础的理论值比较，最大相对误差不超过3.0%，验证了计算的准确性。对初始裂纹大小、位置和形状对应力强度因子的影响进行讨论，结果表明：随着初始裂纹的扩大，应力强度因子也跟着增大；初始裂纹位于试样的边缘或者是中间对结果影响很小；半椭圆形裂纹长半轴与短半轴比值越接近1，计算结果越稳定。（2）简要概述了疲劳裂纹扩展门槛值在疲劳裂纹扩展中的重要性及它的测定原理和测定方法。根据作者对人工机械心瓣热解炭材料断裂性能的研究和总结，设计了一套测试人工心瓣热解炭断裂韧性实验程序和装置。（3）分析了气泡空化作用引起的人工机械心瓣表面的腐蚀现象，给出了在人工机械心瓣瓣片上引起的水柱压力公式。按照第一强度理论，采用有限元软件验证了人工心瓣瓣片承受力最大位置在瓣片和瓣片耳交汇区域处（称为耳肩）。（4）利用eFatigue在线软件计算人工机械心瓣热解炭试样疲劳裂纹扩展寿命，结果表明：初始裂纹尺寸对人工心瓣瓣片疲劳裂纹扩展寿命影响非常大，控制初始裂纹尺寸可大大提高疲劳裂纹扩展寿命；而脆性材料临界裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展寿命影响不大；随着循环应力比的减小，疲劳裂纹扩展速率减小，相应的疲劳裂纹扩展寿命延长。
【作者】李学鹏；
【导师】张建辉；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】人工心瓣；各向同性热解炭；有限元；应力强度因子；断裂韧性；

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