Статья:

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ

Конференция: V Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: 7. Материаловедение

Выходные данные
Перинская Е.Д., Каплей А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. V междунар. студ. науч.-практ. конф. № 5(5). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/5(5).pdf (дата обращения: 21.10.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 71 голос
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ

Перинская Есения Дмитриевна
студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Каплей Андрей Александрович
студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Перинская Ирина Владимировна
научный руководитель, научный руководитель, канд. техн. наук, доцент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., г. Саратов

 

 
 

 

Для ортопедических устройств в импланталогии широкое применение получили кальций-фосфатные покрытия на основе гидроксиапатита кальция (ГА), фторапатита, фторгидроксиапатита. Они имеют высокую биосовместимость и хорошие остеокондуктивные свойства, однако низкая усталостная прочность и низкая прочность на изгиб плазмонапыленного покрытия ГА ограниченно позволяет его использовать в качестве высоконагруженных имплантатов [1, с. 106].

Исследование влияния ионной имплантации азота с целью наноструктурирования титановой основы, наномодифицирования гидроксиапатитовых покрытий дентальных имплантатов: электронно-микроскопические, ИК — спектроскопические исследования проведены авторами [2, с. 201], в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А.

Результаты исследований с достаточной достоверностью и точностью укладываются в физическую модель ионно-лучевого наноструктурирования композиционных покрытий, механизмы которого описаны [3, с. 58].

Образцы представляют собой пластины размером 10×10×2 мм, вырезанные из листа титана марки ВТ1-00, и состоящие из нескольких композиционных слоев (рис. 1). Первый слой 1 находится в приповерхностной области компактного титана прошедшего пескоструйную обработку и получен путем внедрения ускоренных ионов азота N+ с энергией 110 кэВ и дозой облучения ионов 6·1015÷6·1016 ион/см2. Второй и третий слой получен путем напыления порошка титана толщиной слоя 5—10 мкм, и порошка ГА (Ca10(PO4)6(OH)2) марки ВФС-42-2378-94 (ASTM-1185-80) толщиной слоя 20—30 мкм. Последний слой толщиной 4—10 нм и первый слой получен путем облучения высокоэнергетическими ионами N+ с энергией 110 кэВ и интегральной дозой 6·1015÷6·1016 ион/см2 в углеродсодержащей атмосфере на модернизированной установке ионного легирования «Везувий-5», которая позволяет вводить в приемную вакуумную камеру молекулы газов СО, СН.

 

Рисунок 1. Схематическое изображение облучаемого образца

 

Экспериментальные результаты

Измерения микротвердости проводили согласно ГОСТ 6450-76 на приборе ПМТ-3 путем вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 0,39 Н, приложенной в течение 30 с. Исследование морфологии проводили с высоким разрешением до 0,4 нм на растровом электронном микроскопе Tescan mira II LMU, с энергодисперсионной приставкой, предназначенной для элементного анализа твердых веществ, а также с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью. Спектроскопическое инфракрасное исследования проводили на однолучевом приборе Nikolet-6700.

Измерения микротвердости облученного ионами N+ образцов титана и электроплазменного покрытия показали, что микротвердость во всех материалах увеличивается по нормальному распределению в зависимости от дозы облучения (табл. 1). Максимальное увеличение микротвердости титана составляет HV=16 ГПа — более чем в 3 раза больше по сравнению с необлученным образцом (табл. 1) и достигается при интегральной дозе 1,8·1016 ион/см2 и энергии 110 кэВ. У электроплазменных покрытий максимальная микротвердость составляет HV=8,3 ГПа, это более чем в половину раза больше в сравнении с необлученными, и достигается при интегральной дозе ионов 1015÷6·1016 ион/см2 и энергии 110 кэВ.

Таблица 1.

Микротвердость облученных образцов


Доза облучения,

ион/см2


Титан HV, ГПа


Относительное приращение


ГА покрытие HV, ГПа


Относительное приращение


Не облученный


5



5,4



6·1015


13


2,6


6,4


1,18


1,2·1016


16


3,2


8,3


1,53


1,8·1016


14


2,8


7


1,29


3·1016


13


2,6


6,5


1,2


4,2·1016


9


1,8


6


1,1


6·1016


7


1,4


5,2


0,92

 

Исследование морфологии титана методом атомно-силовой микроскопии показало, что поверхность после облучения ионами азота видоизменяется. На рис. 2 изображена поверхность до и после облучения N+ дозой 1,2 ·1016 ион/см2.

 

а                                             б

Рисунок 2. СЗМ — снимки поверхности титана: а — не облученный,
б — облученный дозой ионов 1,2 ·1016 ион/см2

 

Исследование СЗМ-снимков синтезируемого покрытия проводилось с помощью модуля обработки изображений Nova. На рис. 3 показана поверхность титана в трехмерном изображении; покрытие, образованное в результате ионного облучения состоит из вертикальных структурных образований.

 

 

а                                             б

Рисунок 3. Трехмерное изображение поверхности титана:

а — до облучения,

б — после облучения дозой ионов 1,2 ·1016 ион/см2

 

Шероховатость поверхности титана до облучения имеет развитый рельеф рис. 4, который после облучения уменьшается, отличительной особенностью синтезируемого покрытия поверхности ионно-имплантированного титана является беспористость.

 

а                                    б

Рисунок 4. Шероховатость титана: а — до облучения,

б — после облучения дозой ионов 1,2 ·1016 ион/см2

 

Морфология электроплазменных ГА покрытий, напылённых на титановую основу, после облучения также видоизменяется: так на сферических частицах ГА диаметром около 1÷5 мкм формируются волокна трубчатого вида диаметром около 50÷150 нм при дозе облучения ионов 6·1015÷1,8·1016 ион/см2 (рис. 5).

 

 

 а                         б

 

 в                         г

Рисунок 5. Морфология поверхности ионно-облученных ГА покрытий
(дозой 6·1015 ион/см2; энергия 110 кэВ)
с увеличением: а — ×1000, б — × 5000, в — ×9500, г — ×13000

 

Исследование элементного состава сферических частиц ГА с волокнами трубчатой формы проведен по химическим входящим в состав элементам (углероду, фосфору, кислороду, кальцию) (табл. 2) методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показали, что содержание углерода после ионно-лучевой обработки увеличивается почти в два раза, а содержание фосфора при этом уменьшается.

Таблица 2.

Элементный состав частиц ГА


Образец


Химический элемент


С


O


P


Ca


Необлученный


16.94


37.80


17.34


27.92


Облученный


36.75


38.14


6.61


18.51

 

Инфракрасное спектроскопическое исследование облученных электроплазменных ГА покрытий показало, что после ионно-лучевой обработки синтезируются углеродные наноструктурные формы которые подтверждаются спектральными пиками в области 2780—2925 см-1 (рис. 6 б) и соответствуют валентным колебаниям СН групп.

 

а б

Рисунок 6. Спектры инфракрасной спектроскопии ионно-облученного ГА: а — до облучения, б — после облучения дозой ионов 1,2 ·1016 ион/см2

 

Изменения твердости покрытия согласно физической модели происходит за счет образования и накопления радиационных дефектов, образования вторичных фаз [1, с. 107; 3, с. 55] в объеме облучаемого композиционного покрытия. Вторая причина, влияющая на характер повышения физико-механических свойств облучаемых материалов — образование на поверхности углеродсодержащего покрытия, синтезируемого в виде нановолокон, образование которых происходит за счет ионизации и диссоциации адсорбированных молекул газа СО, СН введенных вакуумную камеру, имплантируемыми ионами азота (Е=110 кэВ, Q=1,2·1016 ион/см2), возникновение заряженных радикалов, процесс сшивания которых стимулируется энергетическим воздействием ускоренных ионов.

Техническая значимость

Техническая значимость работы заключается в разработке новой технологии ионно-лучевой композиционных электроплазменных покрытий, используемых в различных областях современной промышленности, и в том числе медицины для изготовления внутрикостных имплантатов, позволяющей формировать рациональную структуру с наноразмерными поверхностными элементами, обеспечивающую повышенные физико-механические свойства в сочетании с хорошей биосовместимостью.

 

Список литературы:

1.            Перинский В.В., Крыночкина В.В., Перинская И.В. Модель ионно-лучевого наноструктурирования композиционных покрытий материалов имплантологии / В.В. Перинский, В.В. Крыночкина, И.В. Перинская // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: сборник матер. Всерос. заоч. науч. конфер. для молодых ученых, студентов и школьников. ФГУП НТЦ «Информрегистр», Депозитарий электронных изданий, 2011 — с. 105—113.

2.            Перинский В.В., Муктаров О.Д., Лясников В.Н., Перинская И.В. ИК — спектроскопическое исследование поверхности титана типа ВТ1-00 облученного ускоренными ионами азота / В.В. Перинский, О.Д. Муктаров, В.Н. Лясников, И.В. Перинская, // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений: сб. науч. тр. Тольятти, 2011. — с. 201—202.

3.            Перинский В.В., Лясников В.Н., Перинская И.В., Муктаров О.Д. Механизмы влияния ионной имплантации химически инертной примеси при создании наноразмерного состояния материалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (53). Вып. 2. — с. 56—61.