心脏起搏器导线聚氨酯材料长寿命疲劳失效机理

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本论文着眼于起搏器导线在临床中的实际应用,通过试验获得起搏导线宏观长寿命疲劳强度与裂纹扩展速率,结合从微米尺度的失效分析,深入挖掘导线构成热塑性聚氨酯(TPU)材料的微结构产生对热塑性聚氨酯材料长寿命疲劳强度与裂纹扩展行为的影响机制,由此建立局部材料疲劳特征量与聚氨酯整体宏观疲劳寿命的关系模型。在本研究中,主要进行两种起搏导线包裹层热塑性聚氨酯材料TPU(80A)与TPU(55D)的基本力学性能试验和高周疲劳实验,并对其疲劳寿命进行评估,揭示了聚氨酯材料在疲劳服役过程中的疲劳失效机理,并通过断裂力学,损伤力学等对其裂纹扩展速率和累积损伤进行了讨论。通过单轴拉伸试验对热塑性聚氨酯(80A)与(55D)进行基本力学试验,获得其应力-应变曲线与数字图像相关算法(DIC)应变场的变化,以及对两种热塑性聚氨酯的循环抗疲劳性能进行了评估,研究表明:热塑性聚氨酯(80A)的抗拉强度约为32MPa,应变幅度约为700%。而热塑性聚氨酯(55D)的抗拉强度约为70MPa,应变幅度约为300%,热塑性聚氨酯(80A)比热塑性聚氨酯(55D)拥有更强的塑性变形能力,且聚氨酯在拉伸过程中应变先集中于缺口形貌的中间部位进行累积并沿拉伸方向逐渐向两端移动。相同应力水平下,TPU(80A)循环变形能力要高于TPU(55D),TPU(80A)变形速率也要高于而TPU(55D)变形速率。滞回曲线中也表明了TPU(55D)拥有比TPU(80A)更好的抗塑性变形能力。聚氨酯高周疲劳试验主要目的是分析TPU(80A)及TPU(55D)板型材料在拉伸-拉伸载荷控制试验(频率=5Hz,应力比=0.1)下的疲劳失效,并考虑材料中氢键含量的变化。结果表明,聚氨酯材料在循环蠕变过程中都持续消耗能量,并经历了三个阶段的硬段和软段结构方向的变化。红外光谱研究表明,疲劳寿命的增加将导致更多的物理交联,导致氢键含量减少,微相分离增加,导致疲劳断裂的发生。此外,扫描电子显微镜和三维共聚焦分析表明,TPU(80A)裂纹源于材料表面微孔的聚集,而TPU(55D)疲劳裂纹萌生源是在循环载荷作用下直接产生的微裂纹,TPU(80A)与TPU(55D)在循环过程中都伴随分子链的滑移,慢速裂纹扩展沿与载荷施加的方向约为45°的方向扩展,并在其裂纹扩展过程中,扩展速率逐渐增大。
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