各向同性人工机械心瓣热解炭微观结构与性能期刊

摘要：人工机械心瓣是用来置换人体病变心脏瓣膜的替代品，通过手术更换可帮助心脏瓣膜病患者重建血液循环功能，以而挽救其生命。采取流化床化学气相沉积工艺制备得到的低温各向同性热解炭，由于其在人体生理环境中具有良好的抗血凝性能、生物相容性以及优良的力学性能，是目前公认最好的用于制造人工机械心瓣的材料。本论文采取准稳态流化床化学气相沉积工艺制备人工机械心瓣低温各向同性热解炭材料，首先综述了高低密度的低温各向同性热解炭在高分辨的扫描电镜和透射电镜下的微观结构特点；然后利用纳米压痕仪测涂层材料的纳米硬度和弹性模量，同时采取ABAQUS有限元软件对纳米压痕实验历程进行模拟仿真；最后探讨了热处理对人工机械心瓣低温各向同性热解炭涂层材料微观结构和力学性能的影响，主要探讨内容和结论如下：（1）针对高低密度的低温各向同性热解炭材料，以能够识别低温各向同性热解炭微观结构的生长特性、微晶排列和择优取向度三个方面，通过比较分类综述了它们在高分辨扫描电镜和透射电镜下的微观结构特点。结果表明，高密度和低密度各向同性热解炭都是由直径大约0.5μm的类球形颗粒状生长特性所组成的，炭颗粒间连接紧密，颗粒间有孔隙有着。单个的类球形炭颗粒生长特性大致包含两相结构：核心是几个炭黑小颗粒组成的聚集体，外部是具有“类洋葱”结构的无定形炭。但是不同密度的低温各向同性热解炭，类球形颗粒状生长特性的外形、生长特性内部的微晶排列方式和各向异性度（织构）会有很大差别。（2）利用纳米压痕仪测人工机械心瓣热解炭涂层材料的纳米硬度和弹性模量。结果表明，热解炭具有典型的脆性材料性质，其加卸载曲线几乎完全重合，完全卸载后试样表面没有残余压痕，表明涂层体现出完全的弹性变形，塑性变形可以忽略不计。涂层的纳米硬度和弹性模量的平均值分别约为4.5GPa和32GPa。（3）为验证纳米压痕实验数据的准确性，采取ABAQUS有限元软件仿真模拟人工机械心瓣热解炭涂层的纳米压痕实验历程。结果表明，有限元仿真模拟得到的压深-载荷曲线与压痕实验结果十分吻合，以而证实了实验的有效性。（4）探讨了热处理对人工机械心瓣热解炭涂层材料结构及纳米压痕力学性能的影响。结果表明，经热处理后，涂层材料的孔隙结构发生变化，涂层的抗形变能力降低，纳米硬度略有降低，而弹性模量基本不变。关键词：人工机械心瓣论文低温各向同性热解炭论文微观结构论文纳米压痕论文有限元法论文热处理论文

摘要5-6

ABSTRACT6-10

第1章 绪论10-23

1.1 炭材料11-12

1.1.1 炭材料分类11

1.1.2 炭材料结构11-12

1.2 热解炭材料12-15

1.2.1 热解炭材料的制备12-13

1.2.2 热解炭材料的分类13-15

1.3 人工机械心瓣热解炭材料15-18

1.3.1 人工机械心瓣15-16

1.3.2 低温各向同性热解炭16-18

1.4 低温各向同性热解炭国内外探讨近况18-22

1.4.1 微观结构18-20

1.4.2 纳米压痕力学性能20-21

1.4.3 热处理对微观结构和力学性能的影响21-22

1.5 论文主要内容22-23

第2章 实验材料与策略23-30

2.1 引言23

2.2 准稳态流化床化学气相沉积工艺23-27

2.2.1 沉积反应装置及源材料23-24

2.2.2 沉积工艺参数设置24-26

2.2.3 沉积工艺流程26-27

2.3 检测策略27-30

2.3.1 偏光显微镜浅析27-28

2.3.2 扫描电镜浅析28

2.3.3 纳米压痕测试28-30

第3章 低温各向同性热解炭微观结构30-39

3.1 引言30

3.2 透射电镜论述基础30-32

3.3 微观结构32-37

3.3.1 生长特性32-35

3.3.2 微晶排列35-36

3.3.3 各向异性度36-37

3.4 本章小结37-39

第4章 纳米压痕实验及有限元仿真探讨39-51

4.1 压痕硬度介绍39-41

4.2 纳米压痕硬度和弹性模量测量原理41-42

4.3 纳米压痕实验结果与讨论42-43

4.4 ABAQUS 有限元仿真模拟43-49

4.4.1 有限元仿真平台及求解器的选择43-44

4.4.2 有限元模型的建立44-45

4.4.3 网格划分及单元类型选择45-46

4.4.4 材料属性46

4.4.5 浅析步及边界条件46-47

4.4.6 有限元浅析结果后处理47-49

4.5 本章小结49-51

第5章 热处理对人工机械心瓣热解炭结构和力学性能的影响51-56

5.1 热处理对人工机械心瓣热解炭结构的影响51-53

5.2 热处理对人工机械心瓣热解炭纳米压痕力学性能的影响53-55

5.3 本章小结55-56

第6章 总结与展望56-58

6.1 总结56-57

6.2 展望57-58

致谢58-59