《人工心瓣熱解炭塗層缺陷的成因與控制研究》是依託杭州電子科技大學，由張建輝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：人工心瓣熱解炭塗層缺陷的成因與控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張建輝
- 依託單位：杭州電子科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
人工心臟瓣膜是一種由特殊工藝、材料製成的科技含量較高的人工臟器，又是複雜人工臟器（如人工心臟）的先導。目前，臨床套用最多的機械式人工心瓣，其瓣片和瓣架一般都用各向同性熱解炭來製做。我國機械式人工心瓣生產與臨床套用多年，但高品質的全炭雙葉瓣膜研製和生產進度緩慢，提供臨床套用的產品數量遠遠不能滿足需求，主要原因之一是受熱解炭塗層缺陷的瓶頸制約。本項目從人工心瓣熱解炭塗層缺陷入手，通過對人工心瓣熱解炭塗層微觀結構的表征、分類和識別，沉積工藝參數和對應結構的系統研究，弄清熱解炭塗層結構、性能、工藝條件和沉積過程之間的相互關係，揭示沉積機理，辨明產生缺陷的深層次原因，並通過先進的穩態流化床沉積工藝的研究試驗，最佳化沉積工藝以及工藝參數的準確可靠調控，達到塗層缺陷可控目的，為沉積出結構均勻、性能一致的熱解炭塗層，加快國產高品質全炭雙葉人工心瓣研製進度和產量上批量提供理論基礎和技術支撐。
結題摘要
本項目以準穩態流化床氣相沉積工藝製備熱解炭，完成了多尺度表征人工心瓣熱解炭的微觀結構、用選區電子衍射法確立熱解炭的擇優取向度，綜述了低溫各向同性熱解炭的微觀結構，提出了熱解炭塗層缺陷的產生原因，探索了熱處理對熱解炭力學性能的影響，有限元分析了人工心瓣熱解炭的斷裂韌性，研究了熱解炭塗層沉積工藝參數-性能之間的關係，完成了人工心瓣熱解炭塗層爐氣體流量監視與控制系統。取得成果： 1、熱解炭塗層只有亂層結構熱解炭和β-SiC兩種物相，矽和碳元素均勻分布，矽元素含量為6.48 wt %；塗層主要由直徑為300 nm到1 μm的球形顆粒狀碳結構組成，球形顆粒之間由片層狀碳結構緊密相連，球形顆粒內碳層平面趨向於同心圓環排列，直徑約6~8 nm的β-SiC晶粒無規則取向分布且存在微觀尺度的集聚現象，單偏光下無雙反射現象呈現出各向同性特徵。 2、熱解炭在局部區域（直徑為190 nm的選區）內的平均取向角為72°，並且球形顆粒內芳香碳平面的擇優取向方向平行於顆粒表面。球形顆粒狀結構決定了塗層的取向角隨著選區面積的增大而增大，而球形顆粒較高的體積比又將進一步導致熱解炭塗層整體呈現各向同性。 3、低溫各向同性熱解炭都是由直徑大約為0.5 μm的顆粒狀生長特性所組成的，高密度和低密度低溫各向同性熱解炭生長特性內的微晶排列方式有很大差異，從高織構鑲嵌體結構逐漸轉變為低織構纏結體結構，纏結體中微孔隙的存在是造成炭密度低的主要原因。 4、熱解炭塗層出現缺陷可能的原因是：在氣體流化床爐體內長時間的沉積過程中，熱解炭的結構隨時間發生了變化，結構變化導致塗層性能出現差異，而結構的變化則是由沉積工藝條件或沉積環境、狀態的變化所致。 5、各向同性熱解炭是一種脆性材料，經熱處理之後，楊氏模量會略微降低，而彎曲強度則沒有明顯變化，這種力學性能的變化可能與熱處理引起材料內部孔隙結構變化有關。 6、純熱解炭和石墨材料的ANSYS計算KIC值分別為1.176 MPam1/2以及1.415 MPa m1/2，熱解炭包覆石墨複合材料的計算KIC值隨塗層與基體厚度比增加而降低，塗層與基體厚度比偏低時，複合材料斷裂性能均優於純熱解炭和石墨材料。 7、床層溫度影響平均塗層速率、塗層密度及矽含量、顯微硬度，丙烷濃度影響塗層密度、碳基質密度及各向同性性能，總進氣量影響著流化床的好壞。
