Введение к работе
Актуальность исследований.
В последнее время пористые керамики привлекают пристальное внимание исследователей в качестве материала имплантатов для замещения костных дефектов. Присутствие пористости в этом случае является необходимым условием интеграции в системе кость - имплантат. Несмотря на привлекательность керамик с точки зрения биосовместимости с организмом, использование пористых керамических материалов в эндопро-тезировании ограничено вследствие их крайне низкой деформационной способности. Важно установить связь между формирующейся в процессе получения керамик структурой, характером пористости и их деформационным поведением. Авторами работ [1,2] приводятся данные о механическом отклике при нагружении сжатием пористых керамик, полученных из нанокристаллических порошков ZrC»2. Структура данных керамик представляла собой совокупность стержневых элементов. Деформационные диаграммы керамик с сообщающейся пористостью начинались с нелинейно-упругого участка, что нехарактерно для хрупких керамических материалов. При этом наличие в структуре пористой керамики стержневых элементов, приводящее к появлению нелинейного участка на деформационных диаграммах, повлекло за собой увеличение их деформационной способности. Наличие подобного нелинейного участка на деформационных диаграммах высокопористых пенопластов, имеющих ячеистую структуру, было отмечено авторами работ [3]. В обоих случаях подобное деформационное поведение авторы связывали со спецификой деформирования стержневой или ячеистой структуры материала. Можно предположить, что наличие в пористых керамиках ZrC»2 ячеистой структуры позволит увеличить величину предельной деформации до разрушения.
Степень разработанности темы. Анализ публикаций, посвященных изучению отклика пористых керамик на механическое воздействие, показал, что исследования в этой области начаты давно [1,2, 4-6], но, как правило, ограничиваются изучением влияния пористости на механические свойства. Несмотря на несомненную ценность подобных работ, они не позволяют ответить на вопрос о способах повышения деформационной способности хрупких керамических материалов, и проблема взаимосвязи между формирующейся в процессе получения керамик структурой, характером пористости и их деформационным поведением остается актуальной.
Исходя из вышеизложенного, цель диссертационной работы - изучить влияние структурного состояния порошков Zr02(MexOy) на структуру, деформационные характеристики и разрушение спечённой керамики.
В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи исследований:
-
Изучить морфологию частиц, фазовый состав и кристаллическую структуру порошков твёрдых растворов Zr02(MexOy), полученных методами плазмохимии и химического осаждения;
-
Изучить влияние морфологии частиц порошков Zr02(MexOy) на объём порового пространства, распределение пор по размерам и характер пористости в получаемых из них керамиках;
-
Изучить закономерности влияния пористости на размер зерна, фазовый состав и кристаллическую структуру в керамиках Zr02(MexOy);
-
Изучить влияние объёма порового пространства и характера пористости на деформацию и разрушение керамик Zr02(MexOy).
Научная новизна исследований. В работе впервые показано, что керамики ZrC»2(Y203), ZrC»2(MgO) с пористостью более 30 % при нагружении сжатием проявляют микромеханическую неустойчивость, обусловленную обратимой деформацией ячеистых элементов, составляющих керамический каркас.
Показано, что независимо от характера пористости в керамиках Zr02(Y203), Zr02(MgO) увеличение объема порового пространства от ~ 15 до 80 % сопровождается увеличением предельной деформации, максимальное значение которой составило 3.5 %.
Теоретическая значимость определяется тем, что в диссертационной работе сформулированы следующие представления:
- об особенностях деформационного поведения пористых керамик Zr02(Y203),
Zr02(MgO) с унимодальным и бимодальным распределением пор по размерам;
о механизмах, определяющих природу соотношения высокотемпературных и низкотемпературной фаз ZrC>2 в керамиках Zr02(Y203), Zr02(MgO), в зависимости от типа стабилизирующей добавки;
о влиянии морфологии порошков Zr02(Y203), Zr02(MgO), синтезированных методами плазмохимии и химического осаждения, на структуру спеченной керамики.
Практическая значимость работы.
Наличие в керамиках Zr02(Y203), Zr02(MgO) с ячеистой структурой бимодальной пористости позволяет использовать их в качестве материалов медицинского назначения, в частности, материалов для восстановления и замещения поврежденных участков кости.
Пористые керамики Zr02(Y203) с пористостью от 50 до 80 % обладают прочностными и упругими свойствами, удовлетворяющими биомеханическим требованиям, предъявляемым к материалам медицинского назначения.
Установлены технологические параметры формирования ячеистой структуры с бимодальной пористостью в керамиках Zr02(Y203), ZrC^MgO), полученных из порошков, состоящих преимущественно из полых частиц сферической формы.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применен комплекс методов (метод дифракции рентгеновских лучей, метод растровой электронной микроскопии, механические испытания), позволяющий изучать особенности формирующейся микро- и макроструктуры, фазового состава и особенности деформационного поведения пористых керамик Zr02(MexOy).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Тип стабилизирующей добавки в керамиках Zr02(MexOy) определяет природу изменения соотношения высокотемпературных и низкотемпературной фаз диоксида циркония с увеличением объёма порового пространства. В случае Y2O3 сокращение доли тетрагональной фазы происходит в результате уменьшения уровня сжимающих напряжений и, как следствие, уменьшения критического размера зерна, в случае MgO - в результате выхода ионов Mg на внутрипоровые поверхности.
-
Морфологическое строение исходных порошков определяет характер распределения пористости в спечённых керамиках: структура керамик Zr02(MexOy), получаемых из порошков, состоящих из пустотелых сферических частиц, при пористости более 30 % представляет собой ячеистый каркас с бимодальной пористостью, сформированной крупными внутриячеистыми пустотами и эквичастичными порами.
-
Керамика с бимодальным распределением пор по размерам при пористости более 30 % проявляет микромеханическую неустойчивость вследствие обратимой деформации ячеистых элементов.
-
Способ получения керамического градиентного материала (Патент РФ № 2454297 от 27.06.2012 г.).
Достоверность результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач, использованием апробированных методов и методик исследований, применением статистических методов обработки данных, непротиворечивостью полученных данных и результатов приведённым в литературе.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на П-ой Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов»
(г.Томск, 12-16 октября 2009г.), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (г.Новосибирск, 4-5 декабря 2009г.), XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно - технический прогресс» (г.Новосибирск, 10-14 апреля 2010г.), 13-й научной молодежной школе по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наносистем» (г.Санкт - Петербург, 12-13 ноября 2010г.), VII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы» (г.Сыктывкар, 21-25 июня 2010г.), V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г.Томск, 23-26 ноября 2010г.), VIII Международной научной конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (г.Барнаул, 15-17 сентября 2011г.), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г.Томск, 5-9 сентября 2011г.), Всероссийской молодежной научной конференции "Химия и технология новых веществ и материалов" (г.Сыктывкар, 30 мая - 1 июня 2011г.), XIII annual conference «YUCOMAT» (Herceg Novi, September 5-9, 2011), Международной конференции «Наноматериалы и нанотех-нологии в металлургии и материаловедении» (г.Белгород, 13-15 октября 2011г.), VI Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г.Томск, 28 сентября - 02 октября 2011г.), LII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г.Уфа, 4-8 июня 2012г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «Первый Байкальский материаловед-ческий форум» (г.Улан-Удэ, 9-13 июля 2012г.), XXIV конференции «Современная химическая физика» (г.Туапсе, 20 сентября - 1 октября 2012г.), MSE (Darmstadt, Germany, 25-27 September 2012), 2nd international conference on competitive materials and technology processes (Miskolc-Lillafured, Hungary, October 8-12, 2012r.), V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (г.Томск, 17-19 октября 2012г.), European symposium on biomaterials and related areas «BioMAT» (Weimar, Germany, April 23-24, 2013r.), Ill Международной научно-практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине» (г.Томск, 7-9 октября 2013г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 работы, из них 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 20 докладов и тезисов в материалах научных конференций различного уровня, получен 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора состоит в получении пористых керамических материалов прессованием и последующим спеканием, контрастных материалов «пористая керамика-гель» на основе диоксида циркония, проведении механических испытаний, структурных и рентгенофазовых исследований, сопоставлении полученных результатов с литературными данными, в совместном с научным руководителем формулировании научных положений, выносимых на защиту, выводов, написании статей по теме диссертации.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотропного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» (технические науки).
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, который включает 123 наименования. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, включающих 65 рисунков и 5 таблиц.
