Новости

15 августа, 2022 12:50

Умение защищать. Гибридные покрытия спасут металлы от коррозии

Источник: Поиск
Сотрудников отдела электрохимических систем и процессов модификации поверхности Института химии ДВО РАН коллеги за рубежом знают достаточно хорошо. Статьи дальневосточников нередко выходят в ведущих журналах, ученые выступают с пленарными докладами на конференциях. Известны они и в Москве: сейчас у них в работе семь проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда. Нередко следом за фундаментальными исследованиями следуют прикладные. Одно из них – создание перспективных, имеющих важное значение для различных отраслей промышленности и медицины уникальных покрытий для сплавов магния. По просьбе «Поиска» о гранте РНФ (№ 21-73-10148. Президентская программа исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными) рассказывает ведущий научный сотрудник института, доктор химических наук, профессор РАН Андрей ГНЕДЕНКОВ:
Андрей Гнеденков. Источник: личный архив

– Магниевые сплавы – материалы необыкновенно ценные, обладающие высокой прочностью при низком удельном весе, а также легкостью в обработке, – объясняет Андрей Сергеевич. – Сфера их применения – авиа- и автомобилестроение, ракетно-космическая индустрия. Но сплавы магния уязвимы – они подвержены коррозии и очень чувствительны к агрессивным средам. В медицине, при использовании имплантатов, под действием физиологических жидкостей в организме человека они достаточно быстро деградируют и разрушаются, что существенно ограничивает их применение. Коррозия – серьезнейшая проблема для множества отраслей промышленности: затраты на ее устранение в развитых странах достигают гигантских размеров – 2-3% ВВП. А наша задача – создать надежную защиту для перспективных материалов.

– Наверное, в мире множество лабораторий решают эту задачу, и сказать здесь новое слово непросто. Как вам это удалось?
– Да, десятки лабораторий у нас – в Уфе, Томске, Москве – и за рубежом заняты этой проблемой. Мы нашли свой путь: формируем на поверхности металла антикоррозийный слой, используя плазменное электрическое оксидирование. Чтобы существенно повысить устойчивость материала к коррозии и износу, наносим оксидные керамико-подобные слои с высокой адгезией покрытия к подложке обрабатываемого материала. Однако и у этого эффективного и перспективного защитного метода есть слабое звено – высокая пористость. Сквозь поры коррозия проникает и постепенно разрушает подложку материала.

Наш институт давно ведет исследования и эксперименты в этой области. Анализируя и обобщая полученные результаты, удалось установить, что пористость можно превратить в преимущество, если наполнять поры нетоксичным инертным материалом, например, полимером. Выяснив это, пошли дальше: начали «загружать» поры не только инертными материалами, но и активными – ингибиторами коррозии. Они в случае повреждения покрытия способны активироваться и создать защитную пленку – она «затягивает» дефектную зону и тем самым препятствует дальнейшему распространению коррозии. (Традиционные защитные материалы – различные краски – в случае повреждения не в состоянии остановить деградацию.) Так наше покрытие приобрело ценнейшее качество – способность к самозалечиванию (self-healing). Метод активной защиты материала расширяет области его применения. Гибридные покрытия можно наносить на алюминиевые, магниевые, титановые, циркониевые сплавы и др. В результате срок службы защитного слоя и обрабатываемого изделия резко увеличивается. Покрытия повышают коррозионную стойкость материала в 100 тысяч раз. Испытания подтвердили: по этому показателю разработанная нами защита не уступает лучшим мировым аналогам, а по ряду характеристик даже превосходит их.

– Улучшат ли они надежность медицинских имплантатов?
– Мы доказали, что помимо уже названных положительных свойств наши ингибиторы обладают еще и антибактериальной активностью (на примере различных видов стафилококков), препятствуют нагноению при контакте с костной и мышечной тканью. Это значительно снижает риск возникновения опасных имплантат-ассоциированных инфекций (заражение происходит во время операции в результате микробного распространения). Более того, in vivo-испытания магниевых имплантатов с гибридными покрытиями, внедренные в мышечную ткань крыс, показали отсутствие токсического действия на живые организмы в течение всего эксперимента (4 недели). Это одно из последних наших достижений. Оно открывает медикам новые перспективы использования биоматериалов на основе магния. Он не является чужеродным элементом для организма человека, то есть такие имплантаты не должны отторгаться в период восстановления костной ткани. Наши покрытия обеспечивают надежную защиту имплантату и повышают его биоактивность, поскольку в состав используемого материала входит гидроксиапатит – основной компонент костной ткани человека. Он обладает высокой биосовместимостью с организмом и способствует росту костной ткани. Сейчас из гидроксиапатита формируют имплантационные материалы – их применяют в челюстно-лицевой хирургии.

– Будут ли востребованы ваши покрытия? Дороги ли они, трудны ли в производстве?
– На подобные вопросы ответ должны дать дополнительные испытания, особенно касающиеся сплавов для медицины. Пока еще сложно говорить о сроках и экономической эффективности технологий формирования покрытий для защиты сплавов магния от коррозии. Однако замечу, что стоимость таких изделий, вероятно, будет сопоставима с ценой используемых на рынке альтернативных материалов. Отмечу, что при участии нашего коллектива на дальневосточном судоремонтном заводе «Звезда» уже внедрена технология формирования композиционных покрытий на поверхности изделий из титановых сплавов для судового энергооборудования. Экономический эффект достигает 600 миллионов рублей в год.

– Почему РНФ поддержал вашу заявку на грант?
– Думаю потому, что наши исследования играют важную роль в развитии конкретных областей науки и техники, в частности, создании перспективных материалов нового поколения и разработке технологий для их получения. Они ускорят и развитие персонализированной медицины, а также возможности применения в ней аддитивных технологий. Гибридные покрытия могут защищать от деградации металлические имплантаты, напечатанные на 3D-принтере для пациентов со сложными переломами.

Эксперты РНФ, понимая важность таких исследований и учитывая наш опыт и наработки, похоже, не сомневались, что мы в срок выполним все требования гранта. Мы выиграли его год назад, рассчитан он на три года с возможностью продления еще на два. Средства Фонда идут на приобретение расходных материалов и необходимого оборудования, проведение многочисленных экспериментов. Мы осуществляем детальный физико-химический анализ по определению свойств материалов, их электрохимической активности на микро- и мезоуровне. Для этого используем передовые локальные сканирующие электрохимические методы анализа поверхности, чтобы досконально изучить и понять сценарий коррозионного процесса. Уверен, только выяснив все обстоятельства, можно создать надежное защитное покрытие.

За первый год выполнения гранта мы процентов на 60-70 перекрыли его требования по числу опубликованных статей в рейтинговых журналах, хотя не гонимся за количеством публикаций, а заботимся об их качестве, рассчитывая вызвать отклик у коллег. В год у меня выходит порядка десятка статей, бóльшая их часть напечатана в журналах первого и второго квартилей. А наш отдел выдает вдвое больше, причем публикации попадают в базы данных самых престижных систем. Сейчас у нас в работе два-три новых материала – они перекроют норму гранта по статьям на второй год, а, возможно, и третий.

– Интересует эта тематика молодых специалистов?
– Не сомневаюсь в этом, потому что им интересно. Молодежи у нас много (в моей группе есть аспиранты и магистрант), она заинтересована в подобных прорывных проектах и с удовольствием в них участвует. Каждый год к нам приходят студенты, что можно только приветствовать, и мы всячески им помогаем (сам я пришел в лабораторию учеником девятого класса).

– Покрытия фактически созданы. Вы ставите на этом точку или продолжите исследования?
– Проблема коррозии, к сожалению, неисчерпаема, и победить ее практически нереально – все равно что создать вечный двигатель. Но можно снизить интенсивность этого пагубного процесса, сократив область его распространения, и тем самым предотвратить негативные последствия. Коррозию, считаю, нужно знать, изучать, можно сказать, «дружить» с ней, но постоянно контролировать. А для этого – совершенствовать имеющиеся подходы ее исследования и разрабатывать новые. Дел, уверен, хватит на многие годы.

6 октября, 2022
В России научились очищать синтетические алмазы от дефектов при помощи лазеров
Российские ученые разработали подход, позволяющий использовать лазеры для очистки искусственных алма...
6 октября, 2022
Миниатюрные постоянные магниты можно будет печатать на 3D-принтере
Ученые УрФУ и УрО РАН определяют оптимальные условия 3D-печати постоянных магнитов из магнитотвердых...