人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法
2023-09-18 19:30:10 6
專利名稱：人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法
技術領域：
本發明涉及一種炭材料力學性能測試方法，具體涉及一種人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法。
背景技術：
人工心瓣是人體心瓣的代用品，供心臟瓣膜病患者更換之用，其瓣片常採用純熱解炭或熱解炭包覆石墨複合材料，瓣環常採用純熱解炭或鈦合金製成。人工心瓣運行於人體內複雜的生理環境中幾十年，需要很高的耐久性和結構可靠性，因此作為其表面塗層的熱解炭材料需要具有良好的斷裂性能。平面應變斷裂韌性是熱解炭材料斷裂性能的重要參數，表徵材料抵抗裂紋擴展和脆性斷裂的能力，一般用Kk表示。精確測試材料斷裂韌性值，研究影響材料斷裂韌性的因素，可明確和改善熱解炭斷裂性能，對人工心瓣組件損傷容限和壽命預測程序也有重要意義。
熱解炭材料採用化學氣相沉積工藝製備，是一種典型的脆性材料。由於其製備工藝特殊性，樣品尺寸小、厚度薄，許多傳統的斷裂韌性測試方法對其並不適用，因此針對人工心瓣熱解炭斷裂韌性的測試，國內尚無此類報導。國外Ritchie、Cao Hengchu、Glipin等人曾對人工心瓣熱解炭斷裂韌性進行了一定的研究，但未提出一套針對人工心瓣熱解炭斷裂韌性的測試方法。
發明內容
本發明方法針對現有技術的不足，提供一種人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法。該方法可精確測定純熱解炭和熱解炭複合材料的斷裂韌性。本發明方法的具體步驟是:
步驟(I).將待測試的人工心瓣熱解炭或其複合材料製備成η (η >3)個緊湊拉伸C(T)樣品，然後在每個緊湊拉伸C (T)樣品上預製尖銳裂紋；
所述緊湊拉伸C (T)樣品按照美國ASTM標準Ε399推薦規格，樣品為立方體，中部機制加工缺口，缺口上下兩端分別開設加載孔，所述缺口為直通形缺口，一端開設在樣品的側面，另一端為尖端；應力作用有效寬度為W，所述的應力作用有效寬度為樣品上位於同一表面的加載孔的中心與樣品未開缺口端側面的距離；樣品的寬度為D，長度為L，厚度為B，缺口寬度為d，加載孔的孔徑為Φ，加載孔的豎直中心線與缺口尖端的距離為Btl ；ff=18.8mm,a0=4.8mm，D=L 25W, L=L 2ff, B=0.5ff, d=0.5ff, Φ=0.25W ；
所述的尖銳裂紋貫通樣品前後表面，其起點位於缺口尖端，尖銳裂紋長度為1.5
2.5mm ;所述的尖銳裂紋長度為尖銳裂紋的兩個端點在水平面上的投影距離；所述預製裂紋的方法採用循環疲勞預製裂紋法，該方法為成熟的現有技術。步驟(2).每個樣品用兩個U型夾具分別夾住兩個加載孔的兩端，兩根銷軸分別穿過兩個U型夾具的兩個側面和對應的加載孔，將U型夾具與樣品固定連接；引伸計架設在缺口位於樣品側壁的開放端上，引伸計的兩個引腳分別固定在缺口上、下的刀口處；所述的引伸計採用電子引伸計，用以檢測樣品機制加工缺口前緣的張開量；
樣品上部的U型夾具的頂面中心豎直固定設置有加載杆，加載平臺與加載杆連接；所述的加載平臺可以對加載杆施加向上的載荷；
樣品下部的U型夾具的底面中心豎直固定設置有固定杆，固定平臺上開設通孔，固定杆穿過通孔活動設置，固定杆的下端部設置有限位銷，限位銷的尺寸大於通孔的孔徑。步驟(3).啟動加載平臺,加載平臺施加勻速增大的向上載荷，向上載荷的載荷速率為0.6 0.8 N/S，直至樣品斷裂；確定每個樣品斷裂時臨界載荷P,和有效裂紋長度a ；
記錄每個樣品不同時刻的施加載荷的大小和缺口開口量，直至樣品斷裂；根據不同時刻施加載荷的大小和缺口開口量，以O為原點、施加載荷P為縱坐標、缺口開口量為橫坐標繪製曲線圖；該曲線包括線性部分直線和非線性部分曲線，線性部分直線和非線性部分曲線的交匯處為點A，以0.95倍OA的斜率繪製由原點出發的直線，該直線與非線性部分曲線的交點為點B ;取A點與B點之前的非線性部分曲線中縱坐標最大的點對應的施加載荷為該樣品的臨界載荷Pq ；
所述的有效裂紋長度a為每個樣品斷裂時尖銳裂紋長度的平均值，具體是在樣品斷裂面上將斷面沿厚度分為m(m > 3)等分，取m-1個分隔面及兩個端面的尖銳裂紋長度的平均值。步驟⑷.計算斷裂韌性Krc:
若口_/ P,小於或等於1.1，按下式計算每個樣品的材料斷裂韌性KK，Pmax為曲線圖中的最大施加載荷
權利要求
1.人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法，其特徵在於該方法的具體步驟是: 步驟(I).將待測試的人工心瓣熱解炭或其複合材料製備成η個緊湊拉伸C (T)樣品，然後在每個緊湊拉伸C (T)樣品上預製尖銳裂紋，η^3； 所述緊湊拉伸C (T)樣品按照美國ASTM標準Ε399推薦規格，樣品為立方體，中部機制加工缺口，缺口上下兩端分別開設加載孔，所述缺口為直通形缺口，一端開設在樣品的側面，另一端為尖端；應力作用有效寬度為W，所述的應力作用有效寬度為樣品上位於同一表面的加載孔的中心與樣品未開缺口端側面的距離；樣品的寬度為D，長度為L，厚度為B，缺口寬度為d，加載孔的孔徑為Φ，加載孔的豎直中心線與缺口尖端的距離為Btl ；ff=18.8mm,a0=4.8mm，D=L 25W, L=L 2ff, B=0.5ff, d=0.5ff, Φ=0.25W ； 所述的尖銳裂紋貫通樣品前後表面，其起點位於缺口尖端，尖銳裂紋長度為1.5 2.5mm ;所述的尖銳裂紋長度為尖銳裂紋的兩個端點在水平面上的投影距離； 步驟(2).每個樣品用兩個U型夾具分別夾住兩個加載孔的兩端，兩根銷軸分別穿過兩個U型夾具的兩個側面和對應的加載孔，將U型夾具與樣品固定連接；引伸計架設在缺口位於樣品側壁的開放端上，引伸計的兩個引腳分別固定在缺口上、下的刀口處； 樣品上部的U型夾具的頂面中心豎直固定設置有加載杆，加載平臺與加載杆連接；所述的加載平臺可以對加載杆施加向上的載荷； 樣品下部的U型夾具的底面中心豎直固定設置有固定杆，固定平臺上開設通孔，固定杆穿過通孔活動設置，固定杆的下端部設置有限位銷，限位銷的尺寸大於通孔的孔徑； 步驟(3).啟動加載平臺，加載平臺施加勻速增大的向上載荷，向上載荷的載荷速率為0.6 0.8 N/S，直至樣品斷裂；確定每個樣品斷裂時臨界載荷P,和有效裂紋長度a ； 記錄每個樣品不同時刻的施加載荷的大小和缺口開口量，直至樣品斷裂；根據不同時刻施加載荷的大小和缺口開口量，以O為原點、施加載荷P為縱坐標、缺口開口量為橫坐標繪製曲線圖；該曲線包括線性部分直線和非線性部分曲線，線性部分直線和非線性部分曲線的交匯處為點A，以0.95倍OA的斜率繪製由原點出發的直線，該直線與非線性部分曲線的交點為點B ;取A點與B點之前的非線性部分曲線中縱坐標最大的點對應的施加載荷為該樣品的臨界載荷Pq ； 所述的有效裂紋長度a為每個樣品斷裂時尖銳裂紋長度的平均值，具體是在樣品斷裂面上將斷面沿厚度分為m等分，取m-1個分隔面及兩個端面的尖銳裂紋長度的平均值，m ^ 3 ； 步驟(4).計算斷裂韌性Kk: 若口_/ P,小於或等於1.1，按下式計算每個樣品的材料斷裂韌性KK，Pmax為曲線圖中的最大施加載荷；
2.如權利要求1所述的人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法，其特徵在於步驟(I)中預製裂紋的方法採用循環疲勞預製裂紋法。
3.如權利要求1所述的人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法，其特徵在於步驟⑵中所述的 引伸計採用電子引伸計，用以檢測樣品機制加工缺口前緣的張開量。
全文摘要
本發明涉及人工心瓣熱解炭及其複合材料斷裂韌性測試方法。目前還沒有針對人工心瓣熱解炭斷裂韌性的測試方法。本發明方法首先將人工心瓣熱解炭或其複合材料製備成多個緊湊拉伸C(T)樣品，在每個樣品上預製尖銳裂紋，樣品按照美國ASTM標準E399推薦規格，中部加工缺口，缺口上下兩端分別開設加載孔；然後用夾具分別夾住兩個加載孔，並將引伸計架設在缺口的開放端上；啟動加載平臺施加勻速增大的向上載荷，直至樣品斷裂，確定每個樣品斷裂時臨界載荷和有效裂紋長度，根據臨界載荷和有效裂紋長度計算斷裂韌性，取平均值作為人工心瓣熱解炭或其複合材料的斷裂韌性測試值。本發明方法可精確測定純熱解炭和熱解炭複合材料的斷裂韌性。
文檔編號G01N3/08GK103234823SQ20131011547
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者張建輝, 李學鵬, 楊歡, 韋靜, 邢興 申請人:杭州電子科技大學