Новые современнные материалы, с улучшенными свойствами, играют все большую роль в самых различных отраслях (от машиностроения, до медицины и нанотехнологий). Эффективность новых материалов обусловлена во многом улучшенными эксплуатационными свойствами, среди которых, важное место занимают физико-механические (прочностные, пластические, трибологические и др.).
Во многом этого удается добиться за счет изменения структуры и получения наноструктурированного материала.
Так, например, успехи современной медицины во многом зависит от создания и использования новых материалов, которые могут применяться как для изготовления медицинского оборудования (скальпели, посуда и т.п.), так и для изготовления различных искуственных имплантатов (эндопротезирование) [1-3]. Так, например, для протезирования костных тканей необходим прочный, износостойкий и биоинетрный материал, т.к. в процессе эксплуатации протез подвергается действию высоких локальных напряжений. Это может привести к резорбции кости и прилегающего имплантата.
В последнее время в эндопротезировании всё чаще наряду с традиционно используемыми для этого материалами (металлы и сплавы) применяются такой класс материалов, как керамики. Наиболее перспективными, при этом, считаются керамики на основе диоксида циркония, поскольку обладают свойством биоэнертности и высокими прочностными характеристиками [1-5].
Поэтому, разработка и исследование прочностных свойств, а также выявлекние микромеханизмов деформирования керамик, используемых для медицинских применений, представляет собой достаточно актуальную задачу.
Смоделировать условия эксплуатации различных протезов в максимально контролированных условиях, когда материал подвергается действию высоких локальных напряжений, можно методами динамического микро- и наноиндентирования, которые хорошо зарекомендовали себя при исследовании в нано- имикрошкале физико-механических свойств материалов различных классов [4-8]. Поэтому целью работы явилось выявление микромеханизмов деформирования различных материалов в условиях действия высоких локальных напряжений.
Для исследования применялся метод динамического микро- и наноиндентирования. Исследования проводились на образцах наноструктурированной керамики на основе диоксида циркония, которые были получены на разработанном оригинальном оборудовании (блок-схема установки представлена на рис. 1); полимерах (F4); ионных монокристаллах (LiF), плавленом кварце, металлах (Al, Ti).
Рис.1. Блок-схема установки для формирования керамических шариков малых размеров
Индентирование проводилось треугольным симметричным импульсом нагружения. Амплитуда приложенной силы варьировалась в диапазоне от 1 мкН до 1Н. Это позволило исследовать зону деформации от десятых долей нанометра до единиц микрон (0,6 нм до 7 мкм). Исследования проводились нанотрибоиндентометре Hysitron TI 950 TriboIndenter и оригинальном динамическом нанотестере собственной разработки.
Трибологические свойства материалов (кинетика процесса деформирования, коэффициента трения, износа и др.) исследовались приложением к индентору одновременно нормальной и латеральной нагрузок.
При исследовании процессов деформирования под действием нормально приложенной нагрузки полученные данные величины действующей силы — P и глубины внедрения индентора — h перестраивались в виде характерных P(h) диаграмм. Аанализ P(h) диаграмм позволяет: выделить области только упругой деформации и области с упругопластической деформацией, рассчитать ряд прочностных характеристик материала (твёрдость — Н, модуль Юнга – Е и др.), определить энергетические характеристики процесса индентирования (энергию подведённую при индентировании, возвращённую, рассеяную в процессе формирования отпечатка и приведенную – приходящуюся на один атом вытесненный из отпечатка). Значения, полученные для всех исследуемых материалов, приведены на рис 2.
Полученные значения приведенной энергии — W, для плавленого кварца, см. рис. 2, в диапазоне глубин от 15 нм до нескольких сотен нанометров, лежат в интервале от 2 до 8 эВ/шт, а с глубины 150 нм принимает постоянное значение — 5,6 эВ/шт. Аналогичный расчёт для LiF показывает, что W, в интервале глубин от 2 нм до 7 мкм, меняется от сотых долей до единиц электрон-вольт. Это позволяет выявить несколько стадий в процессе формирования отпечатка. Стадию, на которой доминирующими являются дислокационные механизмы (h от 1 до 7 мкм), стадию на которой доминирующими являются моноатомные микромеханизмы деформирования
(h от 2 — 4 нм до 100-150 нм), в области h от 100 – 150 нм до 1 мкм возможно действие краудионных микромеханизмов, а в диапазоне h менее 2 – 4 нм происходит чисто упругая деформация материала. Значения W, полученные для керамики на основе ZrO2 (см. рис. 2), лежат в интервале от 2 до 5 эВ/шт. Это свидетельствует в пользу моноатомных микромеханизмов деформирования.
Трибологические свойства материала обычно характеризуют коэффициентом трения k=FL/P, где FL – величина латеральной силы приложенной к индентору. Зависимость величины FL/P от Р для ряда пар трения (керамика – керамика, керамика – металл, керамика – полимер и др.) представлена на рис. 3. Из рис. 3 видно, что числовые значения FL/P при постоянных значениях Р зависят от выбора материалов в исследованных парах трения, а при выборе постоянной пары трения — падают с ростом Р.
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения – k от величины приложеннойнагрузки – P, для разных пар трения
(1 – «керамика на основе ZrO2 – керамика на основе ZrO2»,
2 – «керамика на основе ZrO2 – Ti», 3 – «керамика на основе ZrO2 – фторопласт-4»)
Таким образом, в работе для репрезентативных материалов представителей различных классов (керамики, полимеры, ионные монокристаллы и др.) определена кинетика деформирования и ряд физико-механических свойств при индентировании и трении в нано- и микрошкале, выявлены отдельные стадии деформирования материала в условиях действия высоких локальных напряжений. Показано, что начальная стадия деформирования, для всех исследованных материалов является чисто упругой, которая сменяется стадией на которой деформация определяется моноатомными микромеханизмами, а для LiF, в дальнейшем стадиями краудионной и дислокационной пластичности. Для всех исследованных материалов и выявленных стадий определены числовые значения прочностных и энергетических характеристик определяющих упругую и пластическую деформацию материала. Полученные данные о стадиях и микромеханизмах деформирования позволяют лучше понять поведение материалов медицинского назначения, в условиях действия высоких локальных напряжений. Это в свою очередь позволяет сделать более обоснованный выбор между различными материалами медицинского применения в зависимости от конкретных условий применения, в частности условий протезирования.
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант 15-19-00181)
Литература:
- Vallet-Regí M., Izquierdo-Barba I., Colilla M. Structure and functionalization of mesoporous bioceramics for bone tissue regeneration and local drug delivery //Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2012. V. 370. №. 1963. P. 1400-1421.
- Oblak Č. et al. Properties and clinical application of zirconia bioceramics in medicine //Zdravniški Vestnik. 2013. V. 82. №. 12. P. 825-836.
- Шубняков И.И., Тихилов. Р.М., Гончаров М.Ю. и др. Достоинства и недостатки современных пар трения эндопротезов тазобедренного сустава (обзор иностранной литературы) // Травмотология и ортопедия России. 2010. Т. 57. № 3. С. 147 – 158.
- Tjurin A. I., Shuvarin I. A., Pirozhkova T. S. Influenza del tipo e dell’entità delle condizioni di carico applicato penetratore duttile-fragile transizione // Italian Science Review. 2014. V. 1(10). P. 189-192
- Тюрин А.И., Пирожкова Т.С., Купряшкин А.М. Кинетика формирования отпечатка и микромеханизмы пластичности при динамическом нано- и микроиндентировании твердых тел // Вестник тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. Тамбов. 2013. Т. 18. Вып. 4. С.1552–1553.
- Fischer-Cripps A. C. Nanoindentation. New York:Springer. 2011. 280 p.
- Bhushan B. Introduction to tribology. John Wiley & Sons, Ltd. New York. 2013. 714 р.
- Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение. 2009. 316 с.[schema type=»book» name=»ВЫЯВЛЕНИЕ КИНЕТИКИ И МИКРОМЕХАНИЗМОВ ЛОКАЛЬНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ НАНОИНТЕНТИРОВАНИИ И ТРЕНИИ В НАНОШКАЛЕ» description=»Исследована кинетика процесса формирования отпечатка при индентировании и трении широкого класса материалов (ионные и ковалентные кристаллы, металлы, керамики, полимеры). » author=»Тюрин Александр Иванович, Пирожкова Татьяна Сергеевна, Макеева Мария Александровна, Фонов Андрей Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-24″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)» ebook=»yes» ]