人工心瓣热解炭断裂韧性有限元分析

张建辉 邢 兴

（杭州电子科技大学机械工程学院，杭州 3 10018）

引言

热解炭材料在人工心瓣上的成功应用已经有几十年的历史，其高强度、耐磨性、耐腐蚀性以及优良的血液相容性等特点已经在数十万例临床实例中得到证实［1］。目前，国内市场及临床上应用的机械人工心瓣，其瓣片多采用纯热解炭或热解炭包覆石墨复合材料制成。在人工心瓣组件设计中，结构稳定性是其中的重要环节，而热解炭涂层的断裂性能便是影响组件结构稳定性的重要因素之一，涂层脱落、裂纹现象可直接导致心瓣组件的结构失效［2］。因此，分析热解炭涂层与其复合材料的断裂性能很有必要。

目前，国内对热解炭涂层的研究多集中在生产工艺及微观结构方面［3－5］，对断裂性能的研究鲜有报道；国外对热解炭涂层的断裂性能研究较为成熟，Gilpin与Ritchie等均通过带预制裂纹样品的紧凑拉伸实验，得到较准确的断裂韧性值，并已在业内得到公认［6－8］。然而，由于热解炭涂层材料试样制备尺寸的局限性、断裂性能测试手段的特殊性，以及材料的硬脆属性，导致预制裂纹十分不易，施加载荷与预制裂纹长度很难控制，实验过程需耗费大量的人力和物力。

本研究将有限元仿真技术应用在人工心瓣热解炭涂层断裂韧性测试中，通过ANSYS软件建立纯热解炭、石墨以及热解炭包覆石墨复合材料的三维模型，对其进行紧凑拉伸和三点弯曲实验仿真，分析材料断裂时的应力分布，对断……