低温各向同性热解炭弹性模量低、弯曲强度大,加之良好的耐磨性、化学惰性、抗血凝性、生物相容性等,被认为是制作人工心脏瓣膜的最佳涂层材料。其通常采用化学气相沉积的方法来制备,即碳氢化合物在气态环境中热解,并随之发生一系列复杂的化学反应后,最终沉积在热基体上。由于沉积过程和沉积机理的复杂性,得到的低温各向同性热解炭涂层可能伴随有一定缺陷,使得目前人工机械心瓣的生产和研制受到一定的制约。因此,研究低温各向同性热解炭的微观结构及其性能,对于解决人工机械心瓣热解炭涂层的缺陷问题具有重大意义。本文通过采用稳态流化床化学气相沉积的方法,在沉积温度1 250℃~1 450℃、丙烷浓度25%~60%的范围内,制备得到低温各向同性热解炭,结合XRD(X射线衍射)、SEM(扫描电镜)、TEM(透射电镜)等手段对其微观结构进行了表征和分析,进一步讨论了低温各向同性热解炭的沉积机理。利用三点弯曲法测量了中等沉积条件(沉积温度1 350℃,丙烷浓度40%)下热解炭材料的弯曲强度、断裂韧性,利用显微硬度法测量了热解炭的硬度,利用热膨胀仪测量了热解炭涂层和石墨基体的热膨胀系数,结合ANSYS有限元软件分析了涂层内残余热应力的分布情况。主要研究内容和结果如下:(1)X射线衍射图谱中,不同沉积条件下低温各向同性热解炭的(002)碳层平面的衍射峰均较强并且有一定程度的宽化,其2θ角在26o左右,结合布拉格公式计算了其微晶尺寸,结果表明:所制备样品的d002层平面间距在3.455~3.495?之间,均大于石墨晶体结构的d002值(3.354?),符合乱层石墨结构的特征;(2)通过扫描电镜和透射电镜表征低温各向同性热解炭微观结构,结果表明:低温各向同性热解炭主要由片层状结构和类球形颗粒所组成,且类球形颗粒并不是真正意义上的球体,其中心为少量烟怠颗粒的聚集体,表层被取向杂乱的炭层结构包覆;样品的晶格条纹排列紊乱,弯曲且频繁交错,微晶尺寸小,长程无序,和各向同性热解炭的结构特征相吻合;随着沉积温度和丙烷气体体积浓度的增加,样品的断裂形貌中类球形颗粒逐渐细化,数量增多,片层状结构减少甚至完全消失,晶格条纹的排列越来越紊乱,取向性逐渐减小,各向同性程度有所增加;(3)测得中等沉积条件(沉积温度1350℃,丙烷浓度40%)下低温各向同性热解炭的弯曲强度在390~450 MPa左右,断裂韧性约为2.97 MPa(?);不同条件下(沉积温度1 250℃~1 450℃,丙烷气体体积浓度25%~60%)制备的低温各向同性热解炭样品的显微硬度在1 383~3 044 MPa之间,其显微硬度均随着沉积温度和丙烷气体体积浓度的升高而下降,这和其内部的微观结构和孔隙有关;(4)通过热膨胀仪测得中等沉积条件(沉积温度1 350℃,丙烷气体体积浓度40%)下低温各向同性热解炭涂层的热膨胀系数大致在2.97×10-6/℃~9.98×10-6/℃之间,石墨基体的热膨胀系数大致5.23×10-6/℃~10.99×10-6/℃之间,通过所建立可靠的ANSYS有限元模型分析,结果表明:涂层内主要存在径向压应力,界面和外边缘相交的区域有应力集中现象;并且随着涂层厚度的增加,涂层内的第一主应力主要集中在涂层上表面及界面外边缘处,其最大主应力随着涂层厚度的增加先是线性增加,而在涂层厚度达到0.5mm之后增量变缓趋于稳定。