人工心瓣热解炭涂层结合强度研究

【摘要】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。
【作者】韦静；
【导师】张建辉；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械设计及理论，2014，硕士
【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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