ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!

НОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Автор: ПУШКИН В.Г.


Доктор физико-математических наук В. Г. ПУШИН, Институт физики металлов Уральского отделения РАН

Одной из важнейших научных и прикладных задач физики твердого тела и физического материаловедения всегда было создание металлических материалов и изделий из них. Обычно (речь идет о сплавах железа, алюминия и т.д.) их используют в качестве конструкционных для изготовления различного оборудования общего и специального назначения.

Особое место среди материалов, появившихся в последней трети XX в., занимают так называемые функциональные. Они предназначены для электротехники и электроники, криогенной и аэрокосмической техники, медицины и т.п. Яркий их представитель - группа металлических сплавов с термоупругими мартенситными* превращениями и термомеханической памятью. Начиная с 70-х годов практическое использование таковых непрерывно расширяется.

К этой группе материалов относятся сплавы на основе никелида титана. Они имеют самые высокие прочностные и пластические свойства, уникальные по величине эффекты термомеханической памяти (памяти формы, однократной и обратимой, сверхупругости, демпфирования и др.), высокую надежность, механотермическую и термоциклическую долговечность, свариваемость, коррозиозную стойкость, биологическую совместимость, а также сравнительную простоту химического состава и технологического металлургического процесса, последующих производственных переделов. Несмотря на большую стоимость по сравнению, скажем, с аналогичными по главным свойствам сплавами на основе Cu-Zn-Al, они незаменимы, например, в медицине, где используются в качестве функционального материала нового поколения.

В течение двух последних десятилетий в России и развитых зарубежных странах широко применяют сплавы с термомеханической памятью. Одновременно разрабатывают их металловедческие основы, ведут систематические исследования различных свойств структурных и фазовых превращений, уникальных по своим температурным, деформационным и силовым характеристикам эффектов термомеханической памяти.

Фазовые и структурные превращения, происходящие в твердых телах при различных внешних воздействиях, определяют многие практически важные характеристики, прежде всего так называемые структурно- чувствительные свойства (прочность, жаропрочность, деформируемость, вязкость разрушения и др.). Так, высокопрочное состояние сталей обусловлено мартенситным превращением в них, а в алюминиевых сплавах обеспечивается ранними стадиями процесса старения (распада перенасыщенных твердых растворов). За жаропрочность и жаростойкость интерметаллидов на основе титана, никеля и других элементов "ответственно", в основном,

атомное упорядочение, сохраняющееся вплоть до высоких температур плавления. Этими видами превращений - бездиффузионным, мартенситным, диффузионно-контролирующими распад с выделением избыточных фаз или атомное упорядочение, - практически исчерпывается перечень всех возможных фазовых структурных переходов, которые могут происходить в твердом состоянии в металлах, их сплавах и соединениях как с другими металлами, так и с неметаллами. При этом возможны простые преобразования (полиморфизм в чистых металлах) или комбинированные реакции - при изменении температуры, давления, напряжения и деформации в любой последовательности или одновременно в несколько переходов (например, распад и атомное упорядочение, распад и мартенситное превращение, атомное упорядочение и мартенситное превращение).

Мартенситное (сдвиговое) превращение испытывают ряд чистых химических элементов и многие сплавы, интерметаллические и химические соединения. Оно представляет собой особый вид фазовых переходов, отличающихся бездиффузионностью и упорядоченностью сдвиговой перестройки атомно-кристаллической решетки высокотемпературной фазы (называемой еще аустенитом) в решетку низкотемпературной

--------------------------------------------------------------------------------
* Мартенсит - основная структурная составляющая закаленной стали. С его превращениями при нагреве и охлаждении связан "эффект памяти" металлов и сплавов (прим. ред.).
--------------------------------------------------------------------------------
фазы (мартенсит), при которой смещения соседних атомов относительно друг друга минимальны: не превышают расстояний между собой и не изменяют ближайшего окружения. Физической причиной мартенситных превращений является возникновение и развитие неустойчивости кристаллической решетки и изменение ее симметрии, приводящее к уменьшению свободной энергии системы.

Важную роль в познании природы, основных закономерностей и условий протекания мартенситных превращений в различных материалах сыграла физическая концепция, выдвинутая академиком Г. В. Курдюмовым еще в конце 30-х годов. Согласно ей, эти превращения следует рассматривать как фазовый переход в однокомпонентной системе, сопровождающийся значительными внутренними напряжениями в результате собственной деформации в превращенной области кристалла. Данную проблему рассмотрим в трех аспектах: термодинамическом, кристаллогеометрическом и кинетическом.

В основе термодинамического лежит анализ зависимостей температуры или давления свободных энергий исходной аустенитной и мартенситной фаз. Для сталей и сплавов с нетермоупругими мартенситными превращениями величины химической движущей силы начала прямого перехода (при охлаждении) и обратной движущей силы (при нагревании) близки.

В сплавах с термоупругим мартенситным превращением весьма мала величина температурного гистерезиса (на порядок меньше по сравнению со сталями) и значительно меньше (на один-два порядка) движущая сила превращения. При этом существенно возрастает роль упругой энергии, накопленной при прямом превращении и действующей при обратном в одном направлении совместно с химической. Эта особенность и определяет, в конечном счете, возникновение эффектов термомеханической памяти, в основе которой лежит микроструктурная память.

Кристаллогеометрический, по существу феноменологический, анализ мартенситных превращений и многочисленные экспериментальные исследования различных материалов показали, что изменение объема может быть представлено в виде суперпозиции чистой деформации решетки и деформации с инвариантной решеткой. Существующие кристаллогеометрические теории непротиворечиво описывают кристаллографию мартенситного превращения, объясняя имеющиеся данные об инвариантных (или межфазных) плоскостях, различных в разных материалах, и другие кристаллографические особенности фаз в сплавах (ориентационные соотношения фаз, величину и направление макроскопической деформации формы, субструктуру мартенсита и т.д.).

Самым сложным в создании теории можно считать анализ механизмов и кинетики зарождения, а также роста кристаллов мартенсита. Предположение о существовании зародышей, кристаллическая структура которых идентична со структурой наблюдаемого мартенсита, не было подтверждено экспериментально. На основании этого большинство исследователей считало, что его зарождение происходит гетерогенно при большей скорости роста кристаллов. В последние годы получила развитие концепция о том, что совпадение структур субкритических зародышей и конечного мартенсита не требуется. Можно рассмотреть ряд метастабильных промежуточных, гетерогенных наноструктурных состояний решетки. Установлено: важную роль в развитии предпереходных состояний и собственно термоупругих мартенситных превращений играет сильное предмартенситное размягчение решетки.

Открытие термоупругого мартенситного превращения и обусловленных им эффектов обратимого изменения формы стало фундаментом создания нового класса функциональных материалов, возможности и перспективы применения которых чрезвычайно широки, разнообразны и пока до конца не определены. Рекордсменом по всем известным параметрам среди металлических материалов с памятью, как уже отмечалось, несомненно являются сплавы на основе титана, прежде всего - никелида титана. Именно их широко применяют в технике и медицине.

Сегодня известны основные механизмы неупругой деформации твердого тела: путем скольжения, "двойникования", мартенситного превращения. Мартенситная неупругость - третий (после упругости и пластичности) основной вид деформационного поведения кристаллических материалов. В сплавах с термоупругим мартенситным превращением наиболее яркими и практически важными особенностями их уникального механического поведения являются следующие эффекты:

- памяти формы (ЭПФ), т.е. сплав частично или полностью возвращает ранее приобретенную в мартенситном состоянии деформацию и, соответственно, восстанавливает первоначальную форму;

- сверхэластичности (сверхупругости, а точнее псевдоупругости), когда сплав испытывает в процессе нагружения значительную по величине неупругую деформацию, которая исчезает полностью или частично при снятии нагрузки;

- пластичности превращения (сверхпластичность) - способность сплава к значительной (до 100 %) псевдоупругой и пластической деформации при нагружении в широком интервале температур;

- многократного обратимого запоминания формы (ЭОЗФ);

- высокого внутреннего трения и демпфирования.

Как показали рентгеноструктурные исследования (при съемке на разных стадиях деформирования и при различных температурах), подобное обусловлено прямыми и обратными превращениями, обладающими под действием инициирующих их внешних напряжений сильной текстурой, т.е. ориентированным зарождением и ростом кристаллов мартенсита. А это обеспечивает макроскопическую деформацию образцов. По мере снятия нагрузки мартенситное превращение идет в обратной последовательности, и накопленная деформация в итоге полностью возвращается по нижней кривой петли гистерезиса. Иными словами, сплав после разгружения остается полностью (или частично) в мартенситном состоянии. Исходная форма и, соответственно, структура сплава восстанавливаются лишь при определенной температуре. Наконец, возможна активизация мартенситного превращения после достаточно глубокого развития пластической деформации обычными механизмами скольжения и "двойникования" в исходной аустенитной фазе. В таком случае реализуется эффект сверхпластичности, который, в свою очередь, механически полностью необратим.

Причина ЭОЗФ, подтвержденная рентгенографическими исследованиями, - ориентированный рост мартенситной фазы, в результате чего и накапливается макроскопическая неупругая деформация. Степень текстурированности или кристаллографической ориентированности продуктов превращения и, соответственно, величина обратимой неупругой деформации растут, а ширина температурного гистерезиса эффекта уменьшается при увеличении внешней нагрузки до критической. Кроме того, возврат неупругой деформации при нагреве обусловлен высокой обратимостью (термической и кристаллографической) термоупругого мартенситного перехода.

ЭОЗФ, в отличие от ЭПФ, происходит многократно без заметных изменений параметров цикла. Но закономерности формирования (величина, знак, термическая стабильность) могут быть различными в зависимости от способа его создания.

Элементарными носителями внутреннего напряжения, обеспечивающими ориентированное зарождение и рост кристаллов мартенсита, являются, прежде всего, дислокации, их скопления, субграницы, созданные деформацией или термоциклированием и образующие стабильные конфигурации, а также дисперсные частицы второй фазы. В настоящее время получить ЭОЗФ можно несколькими способами, разделяющимися по видам воздействий, индуцирующих ориентированное и высокообратимое прямое и обратное термоупругое мартенситное превращение.

Практически важное значение наряду с деформационными и температурными имеют силовые эффекты генерации и релаксации напряжений при термоупругих мартенситных превращениях. Наконец, мартенситные превращения сопровождаются экзотермическим (при прямом переходе) и эндотермическим (при обратном) эффектами. В соответствии с этим при росте мартенситных кристаллов происходит выделение тепла, а при сокращении их размеров вплоть до исчезновения - его поглощение и охлаждение сплавов.

Какую же атомно-кристаллическую структуру и микроструктуру имеют сплавы с ЭПФ в исходном высокотемпературном (аустенитном) и мартенситном состояниях?

Как оказалось, подавляющее большинство таких сплавов обладает атомно-упорядоченной структурой аустенита. Естественно, микроструктурное состояние в них может быть различным в зависимости от технологий синтеза: моно-, поли- или нанокристаллическим, одно- или многофазным. Легирование сплавов с ЭПФ различными химическими элементами обеспечивает целенаправленное изменение температурных, деформационных и силовых параметров термомеханической памяти и других физико-механических свойств.

Разработка и использование сплавов с ЭПФ в различных отраслях производства осуществляется в развитых странах достаточно высокими темпами. Первый патент на температурный переключатель из сплава на основе системы Au- Ag- Cd был выдан в США в 1960 г. Интенсифицировалась разработка устройств с применением ЭПФ после опубликования в 1965 г. данных о рекордных, а во многом и уникальных свойствах никелида титана. К настоящему времени выдано огромное количество патентов на сплавы с ЭПФ, устройства и изделия на их основе.

Однако пока из большого числа таких материалов только сплавы на основе двух систем Ti-Ni и Си-Zn-Аl пригодны для практического использования. Причем, если первые имеют лучшие свойства, то для применения вторых основное - экономические предпосылки. Поэтому для изготовления высоконадежных и длительно функционирующих устройств используют сплавы никелида титана. Там же, где нет таких жестких требований, а число циклов ограничено (например, у систем безопасности, срабатывающих однократно только в аварийной ситуации) можно применять сплавы типа Cu-Zn-Al с меньшей стоимостью. Конкретный выбор сплавов определяется с учетом комплекса различных требований: конструкционных, функциональных, технологических, эстетических, экономических, коррозионных, биологических и клинико- биомеханических (если сплав предназначен для медицины).

Действие функциональных элементов из сплавов с термомеханической памятью может быть однонаправленным (ЭПФ) или двунаправленным (ЭОЗФ), т.е. многократным.

В технике сплавы с памятью чаще используются в качестве однонаправленных элементов. Так, свыше 100 тыс. муфт из никелида титана с ЭПФ для герметичного несварного соединения трубопроводов было использовано в гидросистемах реактивных истребителей F-14 только в 70-80-х годах. Наряду с высокой надежностью они характеризуются отсутствием высокотемпературного нагрева и при необходимости их можно легко разобрать при пониженной температуре. Муфты такого типа устанавливаются в трубопроводах самолетов, подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта и сборки трубопроводов, предназначенных для перекачки нефти и газа, в том числе со дна моря.

Из материалов с ЭПФ изготовляют стопоры и фиксаторы для неподвижного соединения деталей (вместо заклепок и болтов), когда выполнение сборочно-монтажных операций на противоположной стороне скрепляемых деталей затруднено или просто невозможно (скажем, в герметичных пустотелых конструкциях). В качестве зажимных приспособлений при креплении неподвижных деталей разработаны различные скобы и уплотнения.

Элементы двунаправленного действия с памятью формы применяются в качестве электрических соединителей, датчиков температуры, установочных или исполнительных устройств. Самая характерная их особенность - миниатюрность и надежность.

В течение нескольких лет в России успешно эксплуатируют противопожарные датчики температуры с ЭОЗФ. На той же основе нами разработаны свечи зажигания, водяные помпы и воздушные вентиляторы для автомобильной промышленности. В последние годы большое внимание обращено на создание тепловых двигателей, работающих за счет низкотепловых источников энергии (горячей воды, пара). Широко известны примеры использования сплавов с ЭПФ в бытовой технике (кондиционерах, сушильных устройствах, термостатах и т.д.).

Высокие коррозионная стойкость и биологическая совместимость наряду с другими уникальными свойствами сплавов на основе никелида титана с ЭПФ обусловливают широкие возможности их практического использования в медицине.

В целом применение металлических материалов в этой отрасли развивается в нескольких направлениях. В одних случаях это связано с протезированием имплантантов - элементов и устройств, которые в течение длительного времени или пожизненно находятся в прямом контакте с биологическими тканями, костными или мягкими (мышцами, нервами, сухожилиями). В других - в основном при стоматологических и ортодонтических недугах - имплантируемые материалы находятся в непосредственном контакте с биологическими поверхностями (зубами, кожей, слизистой оболочкой). В подобных случаях уровень требований к имплантантам наиболее высок. Следует учитывать возможность их взаимодействия с лекарственными препаратами, в том числе и при применении имплантантов-контейнеров для введения лекарств непосредственно к органам человека. Не менее важное направление связано с созданием медицинского оборудования и инструментария различного назначения. В этом случае непосредственный контакт с биологическими тканями либо кратковременный, либо вообще отсутствует.

Детальные и систематические исследования сплавов никелида титана показали, что они выполняют долговременные механические функции, а также химически (сопротивление ухудшению свойств в биологической среде, разложению, растворению, коррозии) и биологически надежны (биосовместимость, биоинертность, нетоксичность, отсутствие канцерогенности, сопротивление образованию тромбов и антигенов). В России сплавы с ЭПФ на основе никелида титана прошли государственные клинические и технические испытания и официально разрешены к применению в качестве имплантантов.

Основные области медицины, в которых уже используются или могут быть внедрены сплавы Ti-Ni с ЭПФ, следующие: нейрохирургия, сердечно-сосудистая хирургия, пульмонология, общая хирургия, гастроэнтерология, урология, проктология, гинекология, онкология, сексопатология, микрохирургия, травматология и военно-полевая хирургия, ортопедия, стоматология.

Можно выделить три класса применяемых медицинских сплавов в зависимости от их назначения и величины критических температур прямых и обратных мартенситных превращений и эффектов памяти. В конце 80-х годов мы впервые разработали аппараты для эндоскопического извлечения конкрементов и инородных тел из полых органов (мочеточников, желчных протоков и т.п.), их бужирования и эндоскопической электрохирургии саморазвертывающимися инструментами из никелида титана. Они запатентованы в Европе, США, Канаде (имеется также ряд патентов России), удостоены золотой медали на Всемирной выставке изобретений (Брюссель, 1995 г.), разрешены к применению Министерством здравоохранения РФ с 1993 г., широко применяются в медицинских учреждениях как у нас, так и в других странах.

Сплавы Ti-Ni с ЭПФ используют при изготовлении устройств и конструкций для остеосинтеза. Принципиальное отличие фиксаторов с ЭПФ различного типа от ранее существовавших традиционных конструкций, в задачу которых входила только жесткая фиксация костных обломков, заключается в реализации с их помощью постоянной равномерной компрессии последних в течение всего периода сращивания. Нами разработан и успешно апробирован ряд устройств для лечения переломов и псевдоартрозов шейки бедра - этой тяжелейшей и очень распространенной (до 25-40 % среди всех переломов) болезни у людей, особенно старшей возрастной группы.

Следует подчеркнуть: имплантанты (фиксаторы, эндопротезы и другие устройства) с ЭПФ в травматологии позволяют создать условия для полноценного восстановления опорно-двигательного аппарата человека и относятся к активно развивающемуся перспективному направлению так называемого биологического, или малоинвазивного остеосинтеза.

Активно применяют материалы с ЭПФ в челюстно-лицевой хирургии, стоматологии. Важным обстоятельством при этом является миниатюризация принципиально новых портативных и высокоэффективных устройств разного медицинского назначения.

Наш опыт показывает, что сотрудничество металловедов, инженеров и практических врачей позволяет непрерывно расширять и совершенствовать медицинское применение материалов с ЭПФ.

Александр Лебедев · 2186 days ago 0 5823
Link
Permanent link to this publication:

http://elibrary.com.ua/blogs/entry/НОВЫЕ-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ-МАТЕРИАЛЫ


© elibrary.com.ua
Professional Authors' Comments:
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Guest comments




Actions
Rate
0 votes
Publisher
17.12.2013 (2186 days ago)
 

Who Like this
Likes · Dislikes
 
Empty

Libmonster, International Network:

Actual publications:

Libmonster Partners

Actual publications:

Latest ARTICLES:

Latest BOOKS:

Actual publications:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
НОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
 

Contacts
Watch out for new publications:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2019, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Portugal Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones