低温各向同性热解炭的结构和性能变化研究

发布时间：2019-07-21 17:27

【摘要】：人工机械心瓣是一种能够实现天然心脏瓣膜功能，代替出现病变心瓣的人工器官，它主要是由各向同性热解炭材料制成。各向同性热解炭是采用流化床化学气相沉积法制备的，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。密度、硬度和孔隙结构是热解炭材料的重要参数，它们直接影响材料的耐磨性、杨氏模量、断裂强度等机械性能。本文综合考虑了热解炭沉积的影响因素，利用流化床化学气相沉积工艺，在不同沉积温度和丙烷气体浓度条件下制备出低温各向同性热解炭材料，利用密度计测量试样密度，利用扫描电镜观察试样自然断面形貌，利用透射电镜观察试样的微观结构，利用压汞仪测量高密度低温各向同性热解炭的孔隙结构，利用显微硬度计测量所制备的热解炭试样的显微硬度。结合以上实验结果，分析了不同沉积条件下制备的热解炭的结构及其性能的变化规律，并绘制了不同沉积条件下低温各向同性热解炭的沉积模型图。主要研究内容和结果如下：（1）研究了低温各向同性热解炭随沉积条件的密度变化。结果表明，较低沉积温度以及较低的丙烷浓度条件下能够沉积得到密度较高的各向同性热解炭，随着沉积温度以及丙烷气体浓度的升高，热解炭的密度逐渐降低，对于中低浓度（25%~40%）的丙烷气体来说，沉积温度对热解炭密度的变化影响更大；高温（1350~1450℃）以及高浓度（60%）的丙烷气体能够显著降低热解炭的密度。（2）研究了人工机械心瓣用高密度各向同性热解炭的孔隙结构变化。结果表明，高密度各向同性热解炭的孔隙主要由类球形生长特性间的孔隙和类球形生长特性内的孔隙两部分构成；类球形生长特性间的孔隙主要由0.83μm左右的较大孔隙和62nm左右的中孔组成，生长特性内的孔隙主要是由缠结体结构形成的微孔隙。（3）研究了热解炭密度和微观孔隙结构的关系。结果表明，相似密度热解炭的孔隙结构并不相同；生长特性间的孔隙的分布对高密度热解炭的密度有较大的影响。（4）研究了低温各项同性热解炭随沉积条件的显微硬度变化。结果表明，随着沉积温度和丙烷气体浓度的升高，热解炭的显微硬度逐渐降低；较低的沉积温度和较低的丙烷浓度条件下能够沉积得到显微硬度较高的热解炭；对于中低浓度（25%~40%）的丙烷气体来说，沉积温度对热解炭的显微硬度影响更大；高温（1350~1450℃）以及高浓度（60%）的丙烷气体能够显著降低热解炭的显微硬度。（5）研究了不同沉积条件下，流化床化学气相沉积制备的低温各向同性热解炭的沉积机制。结果表明，低温、低丙烷浓度条件下沉积的热解炭均匀致密、孔隙较小较少；低温、高丙烷浓度条件下沉积的热解炭类球形颗粒较多较大，，直径可达1.5μm左右，类球形颗粒间的孔隙也较多较大；高沉积温度条件下沉积的热解炭类球形颗粒较多较小，随着丙烷浓度的升高，类球形颗粒进一步变小至0.5μm以下，类球形颗粒间产生大量的孔隙，并伴随有炭黑的形成。
【图文】：
碳材料分类示意图

杭州电子科技大学硕士学位论文炭材料碳的存在形式非常广泛，空气、生物体内都有碳元素的存在[21]。50 万年前的北京猿学会使用了火，从而人为产生了木炭，可以认为炭材料是人类第一个采用化学方法料。金刚石是自然界中最硬的材料，而石墨则是最软的材料，而这两者都是由炭组料；即具有良好的导电性，又可以作为绝缘体，既可以用于摩擦材料，又可以用于等。总体上来看，炭材料在摩擦磨损、热学、力学、电学等方面既矛盾又统一[21]。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期 IVA 族，原子量为 12.001，原子 6 个电子。现代已知 C 共有 15 种同位素，其中包含 C8至 C22。碳材料根据结构大致可以被分为三类：晶型碳、过渡态碳、无定型碳，图 1.1 是碳示意图。
包覆核燃料颗粒的涂层示意图

图 1.1 是碳材料分类示意图。图 1.1 碳材料分类示意图1.2 热解炭热解炭是一种具有特殊结构的气相沉积碳。尽管早在一百多年以前，人们就已经发现，碳氢化合物在足够高的温度下可以热解游离出碳，但生产技术的工业化却在 20 世纪 50 年代末期才逐渐发展起来。由于热解炭的生成过程较为复杂，适当的调整一下生产工艺就可以得到性能变化很大的热解炭，因此热解炭成为了一种引人注目的新型炭材料。1.2.1 热解炭的用途最初的时候，热解炭材料被用于包覆核燃料颗粒的涂层[11]。TRISO 包覆核燃料颗粒一般是由不同的热解炭层所包裹，比如如图 1.2 所示的外致密热解炭层（OPyC）、内致密热解炭层（IPyC）、疏松热解炭层（Buffer）等，而这些热解炭层全部都是各向同性的[22]。热解炭由于具有耐热性、热传导性、低密度和高强度等优点，常被制作成炭/炭复合材料用于航空航天领域。含热解炭的复合材料是采用化学气相渗透（CVI）工艺，将预制增强体置于化学气相渗透炉中，在预制体中的炭纤维空隙和周围，碳氢化合物气体形成热解炭沉积下来，最终形成被热解炭包裹的炭/炭复合材料[23]。这种复合材料具有耐高温、比重轻、抗烧蚀性能好和耐摩擦磨损性能优异等特点
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11

【参考文献】