低溫各向同性熱解炭涂層結構和性能研究.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械性能，特別是在沉入硅后，還具有較高的強度以及耐磨性，被認為是制作人工機械瓣膜的最佳材料。目前，國內(nèi)所制備出來的低溫各向同性熱解炭涂層時常出現(xiàn)裂紋、分層、氣泡等缺陷，這就制約著國內(nèi)高品質(zhì)全炭人工心瓣的研制進程。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，所獲得的結構具有多樣性，不同的結構所對應的性能也有較大的差異。只有明確沉積條件與熱解炭結構和性能的關系

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構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)定性的關鍵。
　　本文采用穩(wěn)態(tài)流化床化學沉積（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、偏光顯微鏡對所制備

3、樣品的微觀結構進行多尺度表征，并利用高分辨的掃描電鏡和透射電鏡對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構進行觀察分析，研究了丙烷濃度對其微觀結構的影響；然后利用熱膨脹儀、顯微硬度計和能譜儀分別對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行了測試，并分析了丙烷濃度對顯微硬度及硅含量的影響；最后利用ANSYS有限元軟件對所建立的熱解炭涂層模型進行模擬，分析了涂層內(nèi)的殘余應力狀況。主要研究內(nèi)容和結果如下：
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4、1）對低溫各向同性熱解炭微觀結構進行多尺度表征。結果表明：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構炭所連接，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)部結構為精細的核-殼結構。
　?。?）研究了丙烷濃度對低溫各向同性熱解炭微觀結構的影響。結果表明：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，熱解炭織構逐漸降低；丙烷濃度的

5、升高也會使斷面形貌內(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；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內(nèi)類球形顆粒的大小。
　　（3）對所制備的低溫各向同性熱解炭涂層的性能進行測試，并分析丙烷濃度對性能的影響。結果表明：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。
　　（4）對熱解炭涂層內(nèi)的殘余應力的性質(zhì)及分布狀況進行分析。結果表明：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)的殘余應力分布狀況；在熱解炭涂層表面受拉應力作用，并且在涂層界面的邊緣區(qū)域有應力集中現(xiàn)象；隨著熱解炭涂層厚度的增加，涂層界面處的徑向應力