沉积条件对人工心瓣含硅低温热解炭微观结构的影响

摘要

人工心瓣是人体病变心瓣的替代品，通过心瓣置换手术可以挽救患者生命。含硅低温热解炭具有良好的生物相容性、化学惰性、高强度、高耐磨等优点，是人工心瓣的首选材料。国内外对热解炭的研究大多集中在制备和性能测试方面，对微观结构以及沉积机理的研究较少。关于应用在人工心瓣的含硅低温热解炭研究资料更是匮乏，因此非常有必要对其微观结构进行研究。　　本文采用准稳态流化床化学气相沉积工艺，在沉积温度1250~1350 oC，丙烷浓度25~60％的范围内，控制其他参数不变，制备了六种含硅低温热解炭涂层样品。通过X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜和密度仪，研究了各样品的微观结构；在前人研究基础上，结合涂层微观结构提出沉积机理；借沉积机理解释了沉积温度和丙烷浓度对其微观结构的影响。主要研究内容如下：　　(1)研究了X射线衍射技术运用到热解炭微晶结构测试方面需要注意的问题和解决方法，如峰形不对称和穿透深度问题。发现单个样品同一区域中热解炭微晶结晶状态连续分布在一个较差到相对较好的区间内；基体与涂层界面处热解炭微晶石墨化度更高；随着丙烷浓度的升高或者沉积温度的降低，涂层中热解炭微晶层间距增大、石墨化度降低、晶粒尺寸减小，碳化硅质量分数降低。　　(2)扫描电镜下含硅低温热解炭涂层由类球形颗粒和片层状结构组成。透射电镜下类球形颗粒从核心到最外围的结构依次为：内核、多晶层、中高织构层、过渡层和无定形炭层。沉积条件变化通过改变片层结构和类球形颗粒的比例，以及类球形颗粒的融并情况，控制热解炭的微观形貌和密度。　　(3)涂层密度在1.73~2.03 g/cm3之间。片层状结构和类球形颗粒的比例、类球形颗粒的融并情况以及共沉于热解炭中的碳化硅的质量分数，共同决定最终制备的热解炭涂层密度。　　(4)提出相应沉积机理。气相中：丙烷进入反应炉内生成C2H2等小分子以及芳香化合物；芳香化合物通过缩聚、化学吸附长大形成PAHs；PAHs通过化学吸附增加面积，物理吸附堆叠形成晶核；晶核长大成为液滴。基体表面：气相生成的小分子直接沉积在基体表面得到片层状结构（表面吸附生长）；液滴沉积在基体表面，融并、脱氢固化生成类球形颗粒结构（形核生长），两个过程相互竞争最终得到热解炭。气相中过早脱氢固化的液滴将以炭黑形式沉积。沉积温度和丙烷浓度通过改变两种沉积方式的比例以及液滴的大小和粘性来控制微观结构。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 碳的同素异构体

1.3 热解炭材料的分类

1.4 人工心瓣含硅低温热解炭

1.5 国内外研究现状

1.6 本文研究目的和主要内容

第2章 材料制备与实验方法

2.1 引言

2.2 准稳态流化床化学气相沉积工艺

2.3 材料分析方法

第3章 X射线衍射分析

3.1 引言

3.2 含硅低温热解炭涂层的衍射特点

3.3 含硅低温热解炭全谱拟合

3.4 X射线物相及定量结果

3.5 基体附近热解炭微晶分析

3.6 小结

第4章 热解炭微观形貌和密度

4.1 引言

4.2 扫描电镜和透射电镜观察分析

4.3 密度分析

4.4 小结

第5章 热解炭沉积机理探讨

5.1 引言

5.2 热解炭沉积机理

5.3 沉积温度和丙烷浓度对沉积机理和微观结构的影响

5.4 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录