Failure Strain and Strain-Stress Analysis in Titanium Nitride Coatings Deposited on Religa Heart Ext Ventricular Assist Device

• Autorzy: Kopernik M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0020

Warianty tytułu

PL

Odkształcenie uszkodzenia i analiza odkształceniowo-naprężeniowa w powłokach azotku tytanu nanoszonych na komorę wspomagania pracy serca Religa Heart Ext

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Polish ventricular assist device is made of Bionate II with deposited TiN biocompatible nano-coating. The two scale finite element model is composed of a macro-model of blood chamber and a micro-model of the TiN/Bionate II. The numerical analysis of stress and strain states confirmed the possibility of fracture. Therefore, the identification of a fracture parameter considered as a failure strain is the purpose of the present work. The tensile test in a micro chamber of the SEM was performed to calibrate the fracture parameter of the material system TiN/Bionate II. The failure strain is a function of a temperature, a thickness of coating and parameters of surface's profile. The failure strain was calculated at the stage of the test, in which the initiation of fracture occurred. The finite element micro-model includes the surface roughness and the failure strain under tension condition for two thicknesses of coatings which will be deposited on the medical device.

PL

Polska komora wspomagania pracy serca jest wykonana z Bionate II z naniesioną biokompatybilną powłoką TiN. Dwu-skalowy model elementów skończonych składa się z modelu makro czaszy krwistej i z modelu mikro dla TiN/Bionate II. Numeryczna analiza stanów naprężeń i odkształceń potwierdza prawdopodobieństwo pękania. Zatem, identyfikacja parametru pękania rozpatrywanego jako odkształcenie uszkodzenia jest celem niniejszej pracy. Próba rozciągania w komorze SEM została przeprowadzona, aby skalibrować parametr pękania dla układu materiałowego TiN/Bionate II. Odkształcenie uszkodzenia jest funkcją temperatury, grubości powłoki i parametrów profilu powierzchni. Odkształcenie uszkodzenia zostało obliczone w tym etapie testu, w którym pojawiła się inicjacja pęknięcia. Mikro model elementów skończonych zawiera chropowatość powierzchni i odkształcenie uszkodzenia w warunkach rozciągania dla dwóch grubości powłok, które będą nanoszone w tym urządzeniu medycznym.

Słowa kluczowe

EN

titanium nitride (TiN); left ventricular assist device; finite element method (FEM); scanning electron microscopy (SEM); micro-tensile test

PL

azotek tytanu (TiN); urządzenie wspomagania lewej komory (VAD); metoda elementów skończonych; skaningowy mikroskop elektronowy

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 1
• Strony: 121--129
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kopernik M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Y. Mine, H. Fujisaki, M. Matsuda, M. Takeyama, K. Takashima, Microtension behaviour of TiAl polysynthetically twinned crys-tals with 0° - and 90° - oriented lamellae, Scripta Mater 65, 707-710 (2011).
• [2] S. Kumar, D. E. Wolfe, M. A. Haque, Dislocation shielding and flaw tolerance in titanium nitride, Int J Plasticity 27, 739-747 (2011).
• [3] J. L. Walley, R. Wheeler, M. D. Uchic, M. J. Mills, In-situ me-chanical testing for characterizing strain localization during deformation at elevated temperatures, Exp Mech 52, 405-416 (2012).
• [4] L. M. Yin, X. P. Zhang, L. Chunsheng, Size and volume effects on the strength of microscale lead-free solder joints, J Electron Mater 38, 2179-2183 (2009).
• [5] Y. L. Su, S. H. Yao, C. S. Wei, C. T. Wu, W. H. Kao, Evaluation on the wear, tension and fatigue behavior of various PVD coated materials, Mater Lett 35, 255-260 (1998).
• [6] Y. L. Su, S. H. Yao, C. S. Wei, C. T. Wu, Tension and fatigue behavior of a PVD TiN-coated material, Thin Solid Films 315, 153-158 (1998).
• [7] P. A. Shade, R. Wheeler, Y. S. Choi, M. D. Uchic, D. M. Dimiduk, H. L. Fraser, A combined experimental and simulation study to examine lateral constraint effects on microcompression of single-slip oriented single crystals, Acta Mater 57, 4580-4587 (2009).
• [8] D. Kiener, P. J. Guruprasad, S. M. Keralavarma, G. Dehm, A. A. Benzerga, Work hardening in micropillar compression: In situ experiments and modeling, Acta Mater 59, 3825-3840 (2011).
• [9] Y. Gao, Z. L. Liu, X. C. You, Z. Zhuang, A hybrid multiscale computational framework of crystal plasticity at submicron scales, Comput Mater Sci 49, 672-681 (2010).
• [10] M. El Fray, A. Piegat, M. Czugała, Z. Staniszewski, M. Rybko, Nowe elastomerowe biomateriały dla systemów wspomagania pracy serca, in: R. Kustosz, M. Gonsior, A. Jarosz (Ed.), Technologie w inżynierii materiałowej i technologie metrologiczne dla potrzeb polskich protez serca, Epigraf Zabrze (2012).
• [11] R. Kustosz, M. Gonsior, M. Gawlikowski, A. Jarosz, Biuletyn Programu Polskie Sztuczne Serce, Wydanie Specjalne - Rezultaty Programu, Epigraf Zabrze (2013).
• [12] J. Kusiński, S. Kąc, Wytwarzanie techniką ablacji laserowej powłok na bazie Ti na podłożu polimerowym, in: R. Kustosz, M. Gonsior, A. Jarosz (Ed.), Technologie w inżynierii materiałowej i technologie metrologiczne dla potrzeb polskich protez serca, Epigraf Zabrze (2012).
• [13] M. Kopernik, A. Milenin, Two-scale finite element model of multilayer blood chamber of POLVAD EXT, Arch Civ Mech Eng 12, 178-185 (2012).
• [14] A. Milenin, M. Kopernik, Multiscale FEM model of artificial heart chamber composed of nanocoatings, Acta Bioeng Bio-mech 11, 13-20 (2009).
• [15] M. Kopernik, L. Trębacz, M. Pietrzyk, Modelling of fa-tigue behaviour of hard multilayer nanocoating system in nanoimpact test, in: V. Kompis (Ed.), Composites with micro-and nano-structures: computational modeling and experiments, Springer Liptovsky Mikulas (2008).
• [16] S. Zhang, X. Zhang, Toughness evaluation of hard coatings and thin films, Thin Solid Films 520, 2375-2389 (2012).
• [17] A. Milenin, D. J. Byrska-Wójcik, O. Grydin, The multi-scale physical and numerical modelling of fracture phenomena in the MgCa0.8 alloy, Comput Struct 89, 1038-1049 (2011).
• [18] A. Milenin, M. Kopernik, D. Jurkojć, M. Gawlikowski, T. Rusin, M. Darłak, R. Kustosz, Numerical modelling and verifi-cation of Polish ventricular assist device, Acta Bioeng Biomech 14, 49-57 (2012).
• [19] U. Wiklund, J. Gunnars, S. Hogmark, Influence of residual stresses on fracture and delamination of thin hard coatings, Wear 232, 262-269 (1999).
• [20] A. Milenin, M. Kopernik, Microscale analysis of strain-stress state for TiN nanocoating of POLVAD and POLVAD EXT, Acta Bioeng Biomech 13, 11-19 (2011).
• [21] M. Kopernik, Shape optimisation of a ventricular assist device using a VADFEM computer program, Acta Bioeng Biomech 15, 81-87 (2013).
• [22] M. Kopernik, A. Milenin, R. Major, J.M. Lackner, Identification of material model of TiN using numerical simulation of nanoindentation test, Mater Sci Tech 27, 604-616 (2011).
• [23] R. Major, E. Czarnowska, A. Sowińska, R. Kustosz, J. M. Lackner, W. Waldhauser, M. Woźniak, T. Wierzchoń, B. Major, e-Polymers 26, 1-9 (2005).
• [24] M. Kopernik, A. Milenin, S. Kąc, M. Wróbel, Stress-strain analysis in TiN nanocoating deposited on polymer with respect to Au nanointerlayer, J Nanometer, 1-12 (2014).
• [25] J. M. Lackner, W. Waldhauser, P. Hartmann, O. Miskovics, F. Schmied, C. Teichert, T. Schöber, Self-assembling (nano-)wrinkling topography formation in low-temperature vacuum deposition on soft polymer surfaces, Thin Solid Films 520, 2833-2840 (2012).