Способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины


 


Владельцы патента RU 2501882:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет (RU)

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов. Способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины включает обработку заготовки во взрывном ускорителе высокоскоростным потоком порошковых частиц Ti в режиме сверхглубокого проникновения частиц. При этом частицы Ti размещают под взрывчатым веществом с воздушным зазором. Разгон частиц осуществляют ударной волной в ориентирующем канале ускорителя, стыкующемся с обрабатываемой заготовкой. Обработку ведут потоком частиц дисперсностью 10 мкм со скоростью потока 1,5-2,5 км/с, плотностью 1 г/см3, при давлении соударения частиц с материалом заготовки 12-15 ГПа и времени их взаимодействия 5-7·10-5 с. Повышается прочность и однородность структуры титановой заготовки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области получения наноструктурированных матепиппоо. путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов.

Аналогом является изобретение наноструктурного технически чистого титана для биомедицины [RU №2383654 C1, C22F 1/18 В82В 3/00 2008141956/02, 22.10.2008]. Данное изобретение реализуется путем обработки прутка технически чистого титана методом равноканального углового прессования (РКУП) при температуре не выше 450°C за 4 прохода для достижения истинной накопленной деформации е≤4 в штамповой оснастке с углом пересекающихся каналов, равным 90°. В результате данной обработки получена суб-зеренная структура с размером зерна в диапазоне 0.5…0.7 мкм.

После РКУП заготовки подвергают термомеханической обработке, в процессе которой осуществляют пластическую деформацию при постепенном снижении температуры в интервале 450-350°C с общей накопленной деформацией от 40 до 80%, при этом скорость деформации варьируется в интервале 10-2-10-4 с-1.

Таким образом, в результате комбинированной обработки в технически чистом титане формируется нанокристаллическая структура, в которой до 90% составляют зерна со средним размером 100-500 нм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Предел прочности полученного титана составляет σB=1330 МПа, относительное удлинение 12%, относительное сужение 50%.

Данный метод имеет некоторые недостатки, касающиеся технологии получения материала. 1. Трудоемкость получения материала, так как технология включает 4 прохода РКУП, затем специальную термомеханическую обработку, 2. Дополнительный нагрев материала. 3. Сложная технологическая оснастка.

Прототипом является способ упрочнения металлов путем обработки потоком порошковых частиц в режиме сверхглубокого проникания частиц СГПч [Ушеренко С.М Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов, - Минск: НИИ импульсных процессов. - 1998. - с.30-31]. Данный метод основан на использовании взрывного ускорителя, который представляет собой кумулятивный заряд взрывчатого вещества, в выемке которого размещен порошок. Инициирование взрывного ускорителя формирует поток порошковых частиц и ориентирует его путем фокусирования кумулятивной струи, направляемой на образец металла или сплава.

Особенности функционирования взрывного ускорителя:

1. Метание частиц осуществляется кумулятивным зарядом с кумулятивной облицовкой, причем метаемый порошок, расположен в кумулятивной выемке.

2. Поток частиц формируется за счет фокусирования кумулятивной струи.

3. Обработка матрицы производится частицами из отличных от материала матрицы элементов.

Конструкция взрывного ускорителя, в котором порошок расположен внутри полусферической кумулятивной выемки заряда взрывчатого вещества, не обеспечивает необходимой однородности струи частиц. Регулирование однородности струи обеспечивается за счет повышения градиентов скоростей, квазистабильности процесса и обработки материала за несколько проходов.

Реализация режимов обработки материалов (давление соударения частиц 10-15 ГПа, дисперсность частиц 10-100 мкм, плотность потока около 1 г/см3, скорость метаемых частиц 1-3 км/с) обеспечивает объемное насыщение металлов и сплавов элементами порошковых частиц на глубины, превышающие более, чем на 2 порядка размер порошковых частиц. Проникающие частицы формируют в материале каналы размером около 1 мкм и наноструктурируют материал. Минимальный размер остатка частицы ~50 нм. Упрочняющее действие дает аморфизация микрообластей (размером от 10 нм и более) вблизи стенок каналов проникающих частиц, а также сильнодеформированная и фрагментированная зона вокруг каналов с развитой дислокационной структурой. Свойства материалов в значительной мере изменяются в зависимости от вида порошковых частиц. Так, при обработке диборидом титана стали 10 твердость с исходной HV140 возрастает до HV 240. Прочность возрастает до 930 МПа, что в 1.4 раза выше исходной. Эксплуатационная стойкость упрочненных инструментальных сталей в условиях ударно-вибрационных нагрузках повышается в 1.3-1.65 раза.

Предлагаемый способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины обеспечивает следующий технический результат: повышение прочности и однородности структуры материала.

Технический результат достигается путем обработки заготовки во взрывном ускорителе высокоскоростным потоком порошковых частиц Ti в режиме сверхглубокого проникновения частиц, при этом частицы Ti размещают под взрывчатым веществом с воздушным зазором, разгон частиц осуществляют ударной волной в ориентирующем канале ускорителя, стыкующемся с обрабатываемой заготовкой, при этом обработку ведут потоком частиц дисперсностью 10 мкм со скоростью потока 1.5-2.5 км/с, плотностью 1 г/см3, давлении соударения частиц с материалом заготовки 12-15 ГПа и времени их взаимодействия (5-7)·10-5 с.

Схема устройства обработки материалов показана на рис.1. Данное устройство включает электродетонатор (1) для инициирования заряда взрывчатого вещества (2) в оболочке (3). Под зарядом взрывчатого вещества через воздушный зазор (4) размещена капсула с порошковым материалом (5). Формирование потока и его ориентация осуществляется в ориентирующем канале (6), который своим основанием стыкуется с обрабатываемым образцом исходного материала (7).

Основные отличия функционирования предлагаемой установки от прототипа:

1. Разгон частиц осуществляется за счет инициирования цилиндрического заряда без кумулятивной облицовки. Воздушный зазор, предусмотренный в конструкции непосредственно за нижним срезом заряда, способствует формированию прямоугольного фронта ударной волны. Метаемый порошок расположен в соответствии с формируемым фронтом ударной волны - параллельно нижнему срезу заряда. В целях получения технически чистого титана для биомедицины кумулятивная облицовка прототипа не пригодна, так как вносит в упрочняемый материал элементы облицовки. Взрывчатое вещество, используемое для заряда в предлагаемом способе, относиться к группе полного газообразования.

2. Формирование высокоскоростного потока порошковых частиц реализуется в ориентирующем канале.

3. Производится обработка матрицы из титана ВТ 1-0 порошковыми титановыми частицами.

4. Отличия по 1, 2 и 3 пункту от прототипа обеспечивают более равномерную обработку заготовки.

Данная схема позволяет обеспечить необходимые режимы обработки титана. При скорости частиц 1.5-2.5 км/с и плотности потока частиц Ti порядка 1 г/см3, давление соударения частиц составляет около 12-15 ГПа. Время взаимодействия частиц с материалом (5-7) 10-5 с.При соударении частиц с ВТ1-0 температура достигает 250°C.

Для получения наноструктурированного технически чистого титана применялись исходные образцы ВТ1-0 диаметром 20 мм и высотой 15 мм. Дисперсность метаемых частиц титана составляет 10 мкм.

В результате получена наноструктурированная мелкодисперсная структура титана марки ВТ1-0, размер зерна около микрометра. Обработка материалов в режиме СГПч предполагает, что материал наряду с измельчением зерна, армируется микроканалами проникающих частиц, стенки которых аморфизированы и являются как бы заваренными, что дополнительно наноструктурирует материал и оказывает упрочняющее действие [Krivchenko A.L., Aleksentseva S.E. Peculiarities of the Dynamic Interaction Between the Directed Stream of High Speed Particles and Metals. // Shock Waves in Condensed Matter: Proc. of Int. Conf. - St. Petersburg, Russia, 8-13 October, 2000, p.175-176.].

Каналы проникающих частиц в поперечнике составляют менее 1 мкм. На стенках каналов остаются следы проникающих частиц, а в зоне торможения фиксируются остатки проникших частиц размером до 0.05 мкм. Концентрация насыщения материала каналами определена при обработке высокоскоростными частицами титана ВТ 1-0 с помощью травления среза матрицы и достигает 27.5%. Плотность каналов может достигать 300 мм-2.

Предлагаемый метод, за счет отличий в конструкции представленного устройства от взрывного ускорителя прототипа, обеспечивает более однородное взаимодействие потока частиц с исходным образцом материала, обеспечивает получение высокой прочности и износостойкости материала. Так, прочность повышается в 1.5 раза. Пластичность незначительно изменяется, относительное удлинение 15%. Плотность дислокации достигает порядка ~1011 см-2. Микротвердость Нµ увеличилась с исходной 1900 МПа до 2600 МПа после обработки потоком порошковых частиц.

Наноструктурирование матрицы за счет обработки высокоскоростным потоком порошковых частиц титана возможно обеспечить для любых марок технического титана: ВТ 1-0, ВТ 1-00 до чистейшего иодидного титана, а также ряда марок, используемых непосредственно в медицине Grade 1 - Grade 4. С целью упрочнения была использована марка титана с относительно низкими прочностными характеристиками, как ВТ 1-0.

Предлагаемая обработка технически чистого титана потоком частиц Ti (пара Ti → Ti) обеспечивает получение наноструктурированного технически чистого титана и возможность применения для целей биомедицины. Технически чистый титан является одним из наиболее приемлемых материалов для изготовления имплантатов, который хорошо сращивается с живыми тканями и в настоящее время используется для длительного нахождения в организме человека. Время применения подобных имплантатов зависит от прочности и долговечности материала. Поэтому повышение механических свойств титана без введения дополнительных легирующих элементов, например ванадия, хрома в сплавах Ti5Al12.5Sn, Ti5Al13V11Cr [D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen, "Titanium in medicine". Springer (2001), p.1019], которые снижают биосовместимость и способствуют накоплению токсичных элементов, является целью предлагаемого способа.

Способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины, включающий обработку заготовки во взрывном ускорителе высокоскоростным потоком порошковых частиц Ti в режиме сверхглубокого проникновения частиц, при этом частицы Ti размещают под взрывчатым веществом с воздушным зазором, разгон частиц осуществляют ударной волной в ориентирующем канале ускорителя, стыкующемся с обрабатываемой заготовкой, при этом обработку ведут потоком частиц дисперсностью 10 мкм со скоростью потока 1,5-2,5 км/с, плотностью 1 г/см3, при давлении соударения частиц с материалом заготовки 12-15 ГПа и времени их взаимодействия 5-7·10-5 с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, и может быть использовано в авиационной промышленности. Высокопрочный псевдо-бета титановый сплав содержит, мас.%: 5,3-5,7 алюминия, 4,8-5,2 ванадия, 0,7-0,9 железа, 4,6-5,3 молибдена, 2,0-2,5 хрома, 0,12-0,16 кислорода, остальное титан и примеси и, при необходимости, один или более дополнительных элементов, выбранных из N, С, Nb, Sn, Zr, Ni, Co, Cu и Si, причем каждый дополнительный элемент присутствует в количестве менее 0,1%, и общее содержание дополнительных элементов составляет менее 0,5 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки титанового сплава для использования в выхлопных системах двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит.
Изобретение относится к металлургии, а именно к обработке изделий из титана, и может быть применено в машиностроении, авиастроении. .

Изобретение относится к области наноструктурных материалов с ультрамелкозернистой структурой, в частности, двухфазных альфа-бета титановых сплавов, которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий в различных отраслях техники, машиностроения, медицины.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении стержневых деталей с головками из титановых сплавов. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления тонких листов из жаропрочного псевдо-альфа-титанового сплава. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к листам из чистого титана, которые могут быть использованы для изготовления пластин теплообменников. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиадвигателестроении при получении заготовок лопаток газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханическим исполнительным механизмам, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую.

Изобретение относится к технологии получения неорганических материалов, которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при изготовлении устройств общего и местного освещения. Люминесцентный композитный материал содержит полимерную основу 1 из оптически прозрачного полимерного материала и многослойную полимерную пленку, содержащую люминофоры, из трех слоев: оптически прозрачная полимерная пленка 2; полимерная композиция 3, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция 4 с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев, и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм.

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к получению биосовместимых магнитных наночастиц и может быть использовано для терапевтических целей, в частности для борьбы с раком. Способ получения наночастиц, включающих оксид железа и кремнийсодержащую оболочку и имеющих значение удельного коэффициента поглощения (SAR) 10-40 Вт на г Fe при напряженности поля 4 кА/м и частоте переменного магнитного поля 100 кГц, содержит следующие стадии: А1) приготовление композиции по меньшей мере одного железосодержащего соединения в по меньшей мере одном органическом растворителе; В1) нагрев композиции до температуры в диапазоне от 50°C до температуры на 50°C ниже температуры реакции железосодержащего соединения согласно стадии С1 в течение минимального периода 10 минут; С1) нагрев композиции до температуры между 200°C и 400°C; D1) очистку полученных частиц; Е1) суспендирование очищенных наночастиц в воде или водном растворе кислоты; F1) добавление поверхностно-активного соединения в водный раствор, полученный согласно стадии E1); G1) обработку водного раствора согласно стадии F1) ультразвуком; H1) очистку водной дисперсии частиц, полученных согласно стадии G1); I1) получение дисперсии частиц согласно стадии H1) в смеси растворителя из воды и растворителя, смешивающегося с водой; J1) добавление алкоксисилана в дисперсию частиц в смеси растворителя согласно стадии I1); и К1) очистку частиц.

Изобретение может быть использовано при изготовлении прозрачных электродов и приборов наноэлектроники. Графеновую пленку получают осаждением в вакууме углерода из углеродсодержащего газа на подложку, покрытую катализатором, предварительно нагретую до температуры, превышающей разложение углеродсодержащего газа.

Изобретение может быть использовано в электрохимических и электрофизических устройствах. Осуществляют анодную гальваностатическую поляризацию титана или циркония с плотностью тока от 0,1 до 3,0 мА·см-2 в расплаве хлоридов щелочных металлов, содержащем от 0,1 до 1,0 мас.% порошка карбида бора при температуре 843-873 К в атмосфере аргона.
Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к получению порошков, которые могут применяться в лазерной технике и оптическом приборостроении. Способ получения порошков фторсульфидов редкоземельных элементов (РЗЭ) включает приготовление шихты и последующую ее термическую обработку.

Изобретение относится к фармацевтической промышленности и представляет собой способ введения наночастиц золота в организм путем местного нанесения на кожу, отличающийся тем, что наносится препарат следующего состава: 0,1 мл 96% раствора диметилсульфоксида на 1 мл гелевой основы с наночастицами золота d=140 нм, либо препарат следующего состава: 0,1 мл 20% раствора тиофансульфоксида на 1 мл гелевой основы с наночастицами золота d=140 нм, при этом участки кожи после нанесения наночастиц золота в комплексе с сероорганическими соединениями должны быть подвергнуты ультразвуковому воздействию с частотой 1 МГц, мощностью 2 Вт и продолжительностью 2 минуты.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к способу сборки шатунно-поршневого узла. Осуществляют установку поршневого пальца в отверстие поршня и установку шатуна на поршневой палец.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов, упрочненных нанодисперсными частицами. Упрочняющие нанодисперсные частицы оксида циркония вводят в расплав на основе сплава алюминий-магний.

Изобретение может быть использовано в производстве катализаторов, электродов, токопроводящих элементов, фильтров. Твердый политетрафторэтилен (ПТФЭ) подвергают пиролизу без доступа воздуха в плазме импульсного высоковольтного электрического разряда при атмосферном давлении с амплитудой импульсов не менее 9 кВ. Полученный углеродный материал с упорядоченной наноструктурой содержит структурные элементы в виде обесфторенных частично графитизированных надмолекулярных цепочечных структур ПТФЭ толщиной 30-100 нм, образованных волокнами диаметром 1-2 нм, переплетенными случайным образом в гомогенную пористую массу с размерами пор 1-2 нм. Технический результат - упрощение способа при одновременном улучшении условий воспроизводимости результатов, повышение пористости и удельной поверхности углеродного наноматериала, обеспечивающее возможность его эффективного модифицирования и получения углеродных наноматериалов с заданными свойствами. 2 н.п. ф-лы, 8 ил., 2 пр.
Наверх