Tribological characteristics of carbon materials subjected to annealing intended for use in heart valves

• Autorzy: Duda P. , Jurkiewicz K. , Kaptacz S. , Salwa P.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyki tribologiczne materiałów węglowych poddanych wygrzewaniu przeznaczonych na płatki zastawek serca

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Carbon materials such as glassy carbon or C/C composites do not always meet the requirements set down for them in technical and biomechanical applications. The most important problem of the manufacturing process that the authors have managed to overcome was the elimination of internal cracks, which cause splitting, in the finished samples. The resulting uniform research material, due to the extremely sensitive implantation site, must meet the following numerous requirements: have high mechanical and chemical strength, exhibit biotolerance, and have high resistance to tribological wear. The paper presents the results of tribological, stereometric, and micromechanical tests of carbon materials that were annealed in a graphite furnace at temperatures of 1500°C, 2000°C, and 2500°C. In order to analyse tribological characteristics, a methodology for performing tests on the ball-on-disk apparatus (T-01 testing machine) was developed that reflect load conditions prevailing in the real node. The tribological tests of glassy carbon confirmed predictions that the temperature of manufacturing has a big impact on its tribological properties, and a higher temperature of annealing does not always improve the material properties.

PL

Materiały węglowe typu węgiel szklisty lub kompozyt C/C nie zawsze spełniają wymagania im stawiane w zastosowaniach technicznych i biomechanicznych. Najistotniejszym problemem procesu wytwarzania, który udało się autorom pokonać było wyeliminowanie pęknięć wewnętrznych w gotowych próbkach powodujących ich podzielenie. Uzyskany jednolity materiał badawczy ze względu na niezwykle newralgiczne miejsce wszczepienia musi spełniać liczne wymagania: wykazywać wysoką wytrzymałość mechaniczną i chemiczną, biotolerancję oraz wysoką odporność na zużycie tribologiczne. W pracy przedstawiono wyniki badań tribologicznych, stereometrycznych i mikromechanicznych materiałów węglowych, które zostały wygrzane w piecu grafitowym, w temperaturach odpowiednio: 1500°C, 2000°C i 2500°C. W celu przeprowadzenia analiz charakterystyk tribologicznych opracowano metodykę badań na stanowisku kula-tarcza (tester T-01), która powinna odzwierciedlić warunki obciążeniowe panujące w rzeczywistym węźle. Przeprowadzone badania tribologiczne węgla szklistego potwierdziły przypuszczenia, iż temperatura wytwarzania tego materiału ma duży wpływ na jego własności tribologiczne, a wyższa temperatura wygrzewania nie zawsze oznacza poprawę właściwości materiału.

Słowa kluczowe

EN

glassy carbon; tribological characteristics; hardness; geometric surface texture

PL

węgiel szklisty; charakterystyka tribologiczna; twardość; struktura geometryczna powierzchni

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 3
• Strony: 49--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Duda P.

• Institute of Computer Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, Universi-ty of Silesia, ul. Będzińska 39, 41-200 Sosnowiec, Poland

autor

Jurkiewicz K.

• A. Chełkowski Institute of Physics, University of Silesia, ul. Uniwersytecka 4, 40-007 Katowice, Poland; Silesian Center for Education and Interdisciplinary Research, ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland

autor

Kaptacz S.

• Institute of Computer Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, Universi-ty of Silesia, ul. Będzińska 39, 41-200 Sosnowiec, Poland

autor

Salwa P.

• Institute of Computer Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, Universi-ty of Silesia, ul. Będzińska 39, 41-200 Sosnowiec, Poland

Bibliografia

• 1. Solomon E.P., Berg L.R., Martin D.W.: Biologia wg VII wydania amerykańskiego, Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa 2007.
• 2. Mohhamadi H., Mequanint K.: Prosthetic heart valves: Modeling and Design, Medical Engineering&Physics, 2011 March; 33 (2), s. 131-147.
• 3. Lapeyre D., Siegel R., Scotten L., de Mol B., Dembitsky W.: Phrosthetic heart valves: Difficult to make something simple, The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 2010 June; 139 (6), s. 1371-1373.
• 4. Sun J.C.J., Davidson M.J., Lamy A., Eikelboom J.W.: Antithrombotic management of patients with prosthetic heart valves: current evidence and future trends. Lancet 2009; 374: 565–76.
• 5. Gott V.L., Alejo D.E., Cameron D.E.: Mechanical Heart Valves: 50 Years of Evolution. The Annals of Thoracic Surgery, 2003; 76:S2230–9.
• 6. Fitzer E., Schäfer W.: The effect of crosslinking on the formation of glasslike carbons from thermosetting resins. Carbon 8.3 (1970): 353-364.
• 7. Pesin L.A., Baitinger E.M.: A new structural model of glass-like carbon. Carbon 40.3 (2002): 295-306.
• 8. Lentz C.M., et al.: Synthesis and characterization of glassy carbon nanowires. Journal of Nanomaterials 2011 (2011): 9.
• 9. http://www.taylor-hobson.com/products/surface-profilers.html
• 10. http://nau.edu.ua/en/menu/research/research-projects/indentometr-%E2%80%9 Cmicron-gamma%E2%80%9D.html
• 11. http://www.tribologia.eu /ptt/inst/rad/T-01M.pdf
• 12. Niklewski T. et al.: Jak uniknąć problemu niedopasowania wszczepionej sztucznej zastawki aortalnej? Kardiol Pol 2007; 65: s. 735-739.
• 13. Gąsior Z., Stępińska J.: Postępy w diagnostyce i leczeniu nabytych zastawkowych wad serca. Centrum Medyczne Kształcenia Podyplomowego, Warszawa 2011.
• 14. Piekoszewski W., Tuszyński W., Szczerek M., Wiśniewski M.: Testowanie tarcia i zużycia materiałów ceramicznych i stali w ramach programu VAMAS. Tribologia. 1994, t. 138, s. 716–728.
• 15. Kacalak W., Lipiński D., Tomkowski R.: Podstawy jakościowej oceny stanu powierzchni kształtowanych z wykorzystaniem teorii zbiorów rozmytych. PAK. 2008, vol. 54, 4/2008, s. 180-183.
• 16. Duda P., Jurkiewicz K., Kaptacz S., Szymańska J.: Charakterystyki tribologiczne materiałów węglowych przeznaczonych na płatki zastawek serca. Tribologia. 2014, nr 3, s. 9–18.
• 17. CSM instruments new nano tribometer for friction, wear and adhesion. http://labsoft.pl/wordpress/wp-content/uploads/2013/08/NTR2.pdf
• 18. Xiaoyu Li, Liangbao Jiang, Xiaowen Zhang, Yue Yan: Influence of residual compressive stress on nanoindentation response of ion-exchanged aluminosilicate float glass on air and tin sides. Journal of Non-Crystalline Solids 385, 2014, s. 1–8.
• 19. Cianci E., Coppa A., Foglietti V.: Young’s modulus and residual stress of DF PECVD silicon nitride for MEMS free-standing membranes. Microelectronic Engineering, 84, 2007, s. 1296–1299.
• 20. Bouaouina B., Besnard A., Abaidia S.E., Haid F.: Residual stress, mechanical and microstructure properties of multilayer Mo2N/CrN coating produced by R.F Magnetron diskharge. Applied Surface Science, 2016, s. 1-5.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.