低溫各向同性熱解炭涂層結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、低溫各向同性熱解炭由于具有優(yōu)異的生物相容性和良好的機(jī)械性能，特別是在沉入硅后，還具有較高的強(qiáng)度以及耐磨性，被認(rèn)為是制作人工機(jī)械瓣膜的最佳材料。目前，國(guó)內(nèi)所制備出來的低溫各向同性熱解炭涂層時(shí)常出現(xiàn)裂紋、分層、氣泡等缺陷，這就制約著國(guó)內(nèi)高品質(zhì)全炭人工心瓣的研制進(jìn)程。低溫各向同性熱解炭在制備的過程中受沉積工藝參數(shù)影響較大，在不同的沉積條件下，所獲得的結(jié)構(gòu)具有多樣性，不同的結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的性能也有較大的差異。只有明確沉積條件與熱解炭結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系

2、，才能夠通過調(diào)整沉積工藝參數(shù)來沉積出所需要的熱解炭，因此研究在不同沉積條件下制備的熱解炭結(jié)構(gòu)和性能將有助于弄清低溫各向同性熱解炭涂層產(chǎn)生缺陷的原因，這也是提高熱解炭涂層質(zhì)量和提高產(chǎn)品穩(wěn)定性的關(guān)鍵。
　　本文采用穩(wěn)態(tài)流化床化學(xué)沉積（FBCVD）工藝，控制沉積溫度1250℃，通過改變易于控制且影響較大的工藝參數(shù)（丙烷濃度），保持其他工藝參數(shù)不變，制備出低溫各向同性熱解炭材料。首先利用X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、偏光顯微鏡對(duì)所制備

3、樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度表征，并利用高分辨的掃描電鏡和透射電鏡對(duì)不同丙烷濃度下制備的低溫各向同性熱解炭樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，研究了丙烷濃度對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的影響；然后利用熱膨脹儀、顯微硬度計(jì)和能譜儀分別對(duì)低溫各向同性熱解炭涂層的熱膨脹系數(shù)、顯微硬度和硅含量進(jìn)行了測(cè)試，并分析了丙烷濃度對(duì)顯微硬度及硅含量的影響；最后利用ANSYS有限元軟件對(duì)所建立的熱解炭涂層模型進(jìn)行模擬，分析了涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力狀況。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
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4、1）對(duì)低溫各向同性熱解炭微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度表征。結(jié)果表明：所制備的低溫各向同性熱解炭主要由直徑大約為0.5μm~1μm的類球形顆粒無序的堆積而成，并且類球形顆粒之間由片層狀結(jié)構(gòu)炭所連接，類球形顆粒內(nèi)部分布著β-SiC晶格條紋和熱解炭晶格條紋，而顆粒球內(nèi)部結(jié)構(gòu)為精細(xì)的核-殼結(jié)構(gòu)。
　?。?）研究了丙烷濃度對(duì)低溫各向同性熱解炭微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨著丙烷濃度的升高，石墨烯平面內(nèi)的五元環(huán)缺陷逐漸增多，熱解炭織構(gòu)逐漸降低；丙烷濃度的

5、升高也會(huì)使斷面形貌內(nèi)的類球形顆粒逐漸增多，這與氣相中多環(huán)芳烴(PAHs)形成的過飽和程度有關(guān)；另外，氣相中熱解產(chǎn)物的濃度及PAHs形成的過飽和度影響著各向同性熱解炭?jī)?nèi)類球形顆粒的大小。
　?。?）對(duì)所制備的低溫各向同性熱解炭涂層的性能進(jìn)行測(cè)試，并分析丙烷濃度對(duì)性能的影響。結(jié)果表明：熱解炭的熱膨脹系數(shù)小于石墨基體熱膨脹系數(shù)，并且復(fù)合體（熱解炭涂層/石墨基體）的熱膨脹系數(shù)是涂層與基體相互制約的結(jié)果；所制備的熱解炭涂層的顯微硬度值為2.

6、396 GPa~3.044 GPa，涂層內(nèi)硅含量為10.7 wt％~22.1 wt%；并且隨著丙烷濃度的增加，熱解炭涂層內(nèi)硅的含量逐漸減小，涂層的顯微硬度也在逐漸降低。
　?。?）對(duì)熱解炭涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力的性質(zhì)及分布狀況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：所建立的模型較為合理，能夠較為全面地模擬和分析熱解炭涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力分布狀況；在熱解炭涂層表面受拉應(yīng)力作用，并且在涂層界面的邊緣區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著熱解炭涂層厚度的增加，涂層界面處的徑向應(yīng)力