КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 19-79-10045
НазваниеРазработка метода реакционно-диффузионного спекания для создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения
Руководитель Аникеев Сергей Геннадьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл
Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Никелид титана, TiNi, пористый, спекание, реакционно-диффузионное взаимодействие, структура, поверхность стенок пор, шероховатость, микропористость, сверхэластичность, гистерезис, имплантат.
Код ГРНТИ53.39.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение проблемы создания методом реакционно-диффузионного спекания биосовместимых пористых сплавов на основе никелида титана с высокими конструкционными и вместе с тем оптимальными функциональными свойствами, а именно с развитой проницаемой внутренней структурой порового пространства, шероховатой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Коллектив молодых ученых стремится к решению задачи получения биосовместимого пористого сплава на основе никелида титана с подобными структурными и физико-механическими свойствами остеогенным биологическим тканям организма. Предлагаемый подход при создании пористого сплава TiNi с добавками Ti, Ni, Co позволяет разработать новый сплав на основе никелида титана за счет активации реакционного и диффузионного типов взаимодействий в спекаемой порошковой системе. Первостепенную задачу исследования, которую стремятся решить авторы, можно сформулировать следующим образом – необходимо изыскать возможность регулирования атомного состава соединения TiNi в спекаемой порошковой системе гидридно-кальциевого порошка никелида титана для достижения гистерезисного характера формоизменения пористого материала TiNi, за который ответственны фазовые мартенситные превращения. Проблема, которая требует решения заключается в том, что метод диффузионного спекания, в котором используется только готовый порошок TiNi, имеет высокий потенциал для создания разнообразных материалов на основе никелида титана, позволяет получать материалы с высокими конструкционными и прочностными свойствами, но по причине смещения в процессе спекания соотношения Ti и Ni в составе соединения TiNi (до 55–60 ат.% Ni), происходит дисперсионное упрочнение сплава за счет формирования избыточного количества фаз Ti3Ni4, что снижает функциональные свойства сплава TiNi (отсутствие эффекта памяти формы и гистерезисного характера формоизменения). Добавка только порошка Ti не позволит в полной мере скомпенсировать обогащение по Ni, так как в таком случае формируются массивы на основе порошинок Ti в структуре межпоровых перемычек, которые будут препятствовать реализации мартенситного превращения. По мнению авторов, необходимо использовать реакционную способность малых добавок Ni и Co в совокупности с Ti для активации объемной и поверхностной диффузии в процессе изотермического спекания гидридно-кальциевого порошка TiNi.
Регулирование состава получаемого сплава будет выполнено с учетом величин коэффициентов диффузии в сложной спекаемой порошковой шихте путем использования метода Матано–Больцмана, который применим как для однофазных систем гидридно-кальциевого порошка интерметаллида TiNi, так и для многофазных TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co. Изучение структурных особенностей сплавов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co будет выполнено методиками оптической, растровой (РЭМ), просвечивающей, ионной, атомно-силовой (АСМ), конфокальной микроскопий (КМ) , рентгеноструктурным анализом, ртутной порометрией с использованием современного сертифицированного исследовательского оборудования. В процессе получения пористых сплавов на основе никелида титана будут выдержаны необходимые условия для создания на поверхности стенок пор развитого шероховатого микрорельефа за счет создания террасовидных структур для увеличения адгезивных свойств пористого материала на основе TiNi.
Особый интерес представляет задача исследования биосовместимости пористых материалов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co путем проведения экспериментов in-vitro с клеточными мезенхимальными культурами костного мозга. Сравнение кинетики взаимодействия популяций с поровым пространством инкубаторов, изготовленных на основе полученных пористых сплавов никелида титана, позволит выявить факторы, способствующие успешной интеграции живых клеток в поровом пространстве материала.
Новейшим этапом в изучении морфологических свойств поверхности и биосовместимости пористых сплавов на основе TiNi станет исследование методами атомно-силовой микроскопии электрохимического потенциала исходной поровой поверхности с террасовидными структурами и оксикарбонитридными частицами Ti4Ni2(O,N,C). Выявление роли величины и параметров электрохимического потенциала на процессы адгезии клеточных популяций в поровом пространстве будет определено в экспериментах in-vitro с клеточными культурами методами АСМ, РЭМ и КМ. Данная задача является нетривиальной и потребует кропотливой работы по созданию модельных образцов, которые возможно исследовать методами АСМ, РЭМ и КМ без специфических разрушающих методик прободготовки (резка, шлифовка, электрополировка), которые необходимы для изучения традиционных пористых тел. Решение поставленной задачи запланировано посредством создания комбинированных двумерных образцов, которые будут выполнены путем спекания слоя порошковой шихты на очищенной монолитной пластине TiNi, с целью создания развитой шероховатой террасовидной поверхности на припекшихся друг другу частицах порошка никелида титана, доступ к которой будет свободен для кантилевера АСМ без предварительных операций пробоподготовки.
Комплексный подход, заявленный для реализации научно-прикладной темы Проекта, невозможен без изучения физико-механических свойств полученных материалов на основе никелида титана TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co. Будут представлены результаты исследования деформационно-прочностных характеристик (предел прочности, деформация разрушения, напряжение мартенситного сдвига) путем анализа диаграммы деформирования «напряжение-деформация» в режиме деформации «растяжение» и диаграммы развиваемых усилий «напряжение-температура». Параметры фазовых мартенситных превращений (характеристические температуры и ширина температурного гистерезиса) будут определены методом измерения температурной зависимости удельного электросопротивления. Изучение свойств коррозионной стойкости будет выполнено на оригинальной установке по циклическому деформированию в режиме «изгиб» в жидкой коррозионной среде. Особую ценность будут иметь эксперименты по изучению особенностей гистерезисной зависимости формоизменения пористых сплавов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co под нагрузкой. Сравнение с живыми остеогенными тканями организма позволит в полной мере решить поставленные задачи Проекта.
Итогом научно-исследовательской работы по Проекту станет разработка условий и режима реакционно-диффузионного спекания по созданию биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Результаты Проекта войдут в основу разработки отечественной технологии получения новых биосовместимых пористо-проницаемых материалов на основе никелида титана с оптимальными конструкционными и функциональными свойствами для использования в имплантологии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ