熱處理對人工心瓣熱解炭力學(xué)性能的影響邢 興，張建輝

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

人工心瓣是人體心臟瓣膜的代用品，供風(fēng)濕性心臟瓣膜病及先天性心臟瓣膜病患者更換之用，通過手術(shù)，可重新恢復(fù)患者心臟正常的血液動力功能，挽救其生命。人工心瓣瓣片是由生物炭精心加工制成的，表面涂有高強(qiáng)度的各向同性低溫含硅熱解炭［1］。各向同性熱解炭通過化學(xué)氣相沉積流化床工藝制備而成。目前，我國對各向同性熱解炭涂層沉積工藝進(jìn)行了較多的研究［2、3］，但是針對人工心瓣應(yīng)用中涂層力學(xué)性能的研究卻很少見，然而涂層的力學(xué)性能優(yōu)劣直接影響著人工心瓣的結(jié)構(gòu)可靠性程度［4］，因此研究人工心瓣熱解炭涂層的力學(xué)性能及其影響因素非常必要。各向同性熱解炭力學(xué)性能中，楊氏模量和彎曲強(qiáng)度是其中兩個重要的性能參數(shù)，通過對它們的測定可以明確材料抵抗彈性變形的能力和抵抗彎曲不斷裂的能力［5］;另外，熱處理工藝可以影響材料的微觀結(jié)構(gòu)，改善材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布，對熱解炭的力學(xué)性能會有一定程度的影響。本文通過對人工心瓣各向同性熱解炭材料進(jìn)行熱處理，利用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，測量材料的楊氏模量和彎曲強(qiáng)度，并在偏光顯微鏡下觀察熱處理前后材料拋光表面的微觀結(jié)構(gòu)，分析熱處理過程中材料孔隙率的變化以及熱處理對材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料的制備

各向同性熱解炭是采用化學(xué)氣相沉積工藝，使碳?xì)浠衔镌? 350℃溫度下熱分解，生成半液態(tài)的炭黑狀的微滴，在氣體流化床中，于直徑25mm，厚度1.5mm的石墨基體表面沉積的產(chǎn)物。

1.2 熱處理

將沉積完畢的各向同性熱解炭放回沉積裝置中進(jìn)行熱處理，升溫至1 350℃，通入氬氣防止其氧化，保溫1h，然后隨爐冷卻。

1.3 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

將各向同性熱解炭涂層從石墨基體上割下，經(jīng)金剛石低速鋸切割成8mm×3.6mm×0.5mm的長方體樣品，對其各表面研磨、拋光處理。準(zhǔn)備這樣的5個樣品，依次編號，其中3、4、5號樣品在實(shí)驗(yàn)前已接受熱處理。由于各向同性熱解炭材料制備工藝的特殊性，材料的厚度只能制備到1－2mm左右，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲樣品的要求，因此實(shí)驗(yàn)儀器選用H5K－S型纖維力學(xué)性能測試儀。

實(shí)驗(yàn)程序遵循GBT－14 452－1 993金屬彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)時樣品放在模具中，支點(diǎn)為直徑1mm的圓柱，跨度為7mm，跨度與樣品厚度之比為14，加載壓頭運(yùn)動速率為10mm/min。抗彎強(qiáng)度與楊氏模量計(jì)算公式如下［6］:

式中，F(xiàn)max為臨界載荷，L0為跨度，b為試樣寬度，d為試樣厚度，δ為試樣中點(diǎn)在豎直方向的撓度。

1.4 拋光表面顯微觀察

利用XPV－203E偏光顯微鏡，觀察未熱處理與熱處理后的各向同性熱解炭拋光表面微觀形貌。

2 結(jié)果

三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，熱處理前后各向同性熱解炭樣品的施加載荷F與中點(diǎn)撓度δ曲線，如圖1、2所示:

圖1 熱處理前樣品的載荷F－撓度δ曲線

圖2 熱處理后樣品的載荷F－撓度δ曲線

從圖1、2中可以看出，樣品發(fā)生斷裂之前，施加載荷與撓度之間呈明顯的線性關(guān)系，整個過程的變形量非常微小;而且當(dāng)載荷施加到一定程度時，樣品突然發(fā)生斷裂，無屈服現(xiàn)象，顯示了脆性斷裂的顯著特征，以此證明熱解炭是一種典型的脆性材料。具體的測試結(jié)果如表1所示:

表1 各向同性熱解炭三點(diǎn)彎曲測試數(shù)據(jù)

根據(jù)等式2以及表1可以看出，楊氏模量與曲線斜率成正比。各向同性熱解炭的楊氏模量測量值，未熱處理樣品平均值大約為17.4GPa，熱處理后樣品平均值略降低到15.9GPa左右。與其他脆性材料相似，熱解炭樣品的彎曲強(qiáng)度分布具有明顯的分散性，這主要是由于材料內(nèi)部和表面缺陷分布引起的［7］，彎曲強(qiáng)度測量值范圍為335－435MPa;此外，比較熱處理前后樣品彎曲強(qiáng)度大小，可以得到，經(jīng)過熱處理之后，彎曲強(qiáng)度并沒有顯著的變化。

通過XPV-203E偏光顯微鏡觀察熱處理前后樣品的拋光表面微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示:

圖3 各向同性熱解炭樣品拋光表面偏光顯微照片

圖3中，a圖和b圖分別代表的是熱處理前和熱處理后的各向同性熱解炭樣品的拋光表面偏光顯微照片。從圖3中可以看出，各向同性熱解炭材料內(nèi)部分布著大量的孔，這些孔根據(jù)形成方式和尺寸可分為兩種:一種是球狀顆粒沉積過程中互相之間形成的縫隙，尺寸較大(見圖3中黑點(diǎn))［8］;另一種是顆粒內(nèi)部晶粒之間的微孔，尺寸較小，難以觀察到［9］。

將圖3的(a)、(b)對比可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過熱處理的材料中分布著一些粗大的孔，它們大小不一，分布不均，經(jīng)過熱處理之后，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一些大尺寸的孔消失，孔隙密度有所增加，孔的尺寸和分布也變得更加的均勻。

3 討論

各向同性熱解炭的力學(xué)性能與涂層微觀結(jié)構(gòu)之間有密切的關(guān)系，由于組成材料的主要結(jié)構(gòu)單元是球形顆粒碳結(jié)構(gòu)，所以材料的宏觀性能表現(xiàn)為各向同性性質(zhì)［3］。另外，與傳統(tǒng)的炭材料相比較，例如IG－110靜壓石墨(楊氏模量為9.97GPa，抗彎強(qiáng)度為34.7MPa)［3］，熱解炭具有較高的楊氏模量和彎曲強(qiáng)度，但是比起醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的某些硬質(zhì)合金，比如外科手術(shù)上用到的不銹鋼和鈦合金［10］，熱解碳的楊氏模量和彎曲強(qiáng)度又顯得略低。此外，通過熱處理前后兩組樣品所測結(jié)果對比，不難看出，熱處理樣品的楊氏模量比未熱處理樣品的值要低，而彎曲強(qiáng)度則沒有較大差別，這種力學(xué)性能的差異很可能與熱處理引起材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

在熱處理過程中，各向同性熱解炭材料孔隙結(jié)構(gòu)變化可能是由以下因素引起［11］:一是碳原子在熱處理過程中進(jìn)行了重排，顆粒狀和片層狀碳結(jié)構(gòu)內(nèi)部的石墨片層晶粒尺寸長大并且排列更加整齊，同時可能發(fā)生顆粒狀和片層狀碳結(jié)構(gòu)的部分融合，使大孔在數(shù)量上和體積上減少，同時可能產(chǎn)生小尺寸的孔隙;二是材料中殘留的一定量的氫原子在熱處理過程中從材料內(nèi)釋放出來，也能使碳結(jié)構(gòu)發(fā)生重排;三是熱處理過程中，升溫和降溫可使顆粒的內(nèi)外層之間膨脹和收縮不均勻產(chǎn)生微小裂紋，生成新的孔隙。熱處理過程改變了材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀孔隙結(jié)構(gòu)，從而也改變了材料的力學(xué)性能。

楊氏模量是材料內(nèi)部原子間結(jié)合力的一種量度，本身受到晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動等微觀因素的制約。對于結(jié)構(gòu)相同的同質(zhì)材料，楊氏模量會隨著原子間距的減小而增大［11］。材料經(jīng)過熱處理后，內(nèi)部孔隙密度增加，單位體積下的孔隙數(shù)目增多，碳原子間距變大，結(jié)合力降低，致使材料楊氏模量值降低。另外，各向同性熱解炭經(jīng)過熱處理后，大尺寸孔隙數(shù)目減少，孔隙分布變得均勻，殘余應(yīng)力得到釋放，理應(yīng)提高材料的彎曲強(qiáng)度，但同時材料內(nèi)部孔隙總數(shù)目增大，可作為材料斷裂的裂紋源增多，致使彎曲強(qiáng)度降低［12］。兩種作用互為消長，使得熱處理之后，材料的彎曲強(qiáng)度并未有明顯改變。

4 結(jié)束語

各向同性熱解炭彎曲斷裂時只產(chǎn)生微小線彈性變形，載荷施加到一定程度時突然斷裂，無屈服現(xiàn)象，證明各向同性熱解炭是一種典型的脆性材料。實(shí)驗(yàn)測得各向同性熱解炭的楊氏模量為17.4GPa左右，經(jīng)過熱處理后下降到15.9GPa;彎曲強(qiáng)度測量值分布具有明顯分散性，范圍在335－435MPa之間，熱處理前后沒有顯著變化。材料經(jīng)過熱處理后，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔的尺寸和分布變得均勻，部分較大的孔消失，孔隙密度有所增加，楊氏模量也有所降低;另外，熱處理釋放了殘余應(yīng)力，但同時又使得單位體積內(nèi)孔隙數(shù)目增加，導(dǎo)致材料斷裂時的裂紋源增多，綜合表現(xiàn)為熱處理前后彎曲強(qiáng)度沒有明顯變化。

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