Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов



Скачать 98.34 Kb.
Дата29.10.2012
Размер98.34 Kb.
ТипДокументы

Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов

Н.И. БОРИСЕНКО, Р.М. ГИЗАТУЛЛИН1, В.И. КАЛМЫКОВ2 , А.А. ЛИСИН,

Г.Р. ПЕТРОСЯН, В.В. СЕРБИН3

Электростальский политехнический институт (филиал) Национального исследовательского

технологического университета «МИСиС»

1ООО Инновационный стоматологический центр НАНОДЕНТ, Москва

2ОАО ВНИИИНСТРУМЕНТ, Москва

3ООО «КРИАМИД – ВНИИЭТО», Москва
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ (НАНО-) ЧАСТИЦ

НА ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИЛОВ
На примере материалов различной структуры, химического и фракционного состава показано влияние наночастиц на формирование структуры, выполненное вначале на модели, а затем – при создании функциональных материалов: переуплотняемой теплопроводной высокотемпературной электроизоляционной керамики, искусственного периодонта и твердых сплавов для режущего инструмента. Во всех случаях показана существенная роль механизмов самосборки и самоорганизации, благодаря которым и происходит создание фрактально структурированых материалов с повышенными и новыми эксплуатационными свойствами.
Упорядочение структуры теплопроводной керамики при совместном прессовании микро- и наночастиц. Ультрадисперсные (нано-) порошки плохо прессуются, особенно если частицы имеют форму пластинок. И совсем не прессуются порошки без пластификатора. При создании трубчатых нагревателей с высоким тепловым потоком не допускается применение даже следов пластификатора, поскольку, испаряясь во время работы, его пары могут разорвать оболочку.

Поэтому был разработан способ, при котором прессуется смесь крупнозернистого порошка из материала хорошо уплотняющегося при «сухом» прессовании и рабочего нанопорошка, форма частиц которого при таком прессовании не имеет значения.

Для определения минимального количества «крупного» порошка построена модель, в которой было изучено распределение мелких и крупных частиц сферической формы (рис. 1). Изучались кубическая, орторомбическая, тетрагональная, тетраэдальная и пирамидальная плотные упаковки. При этом было принято допущение, что «мелкие» частицы заполняют промежутки между «крупными» не только из геометрических условий построения, но и дополнительно, благодаря возможности произвольного заполнения оставшихся свободных объемов.



а б в

Рис. 1.
Заполнение свободных промежутков в каркасе из «крупных» частиц при орторомбической упаковке: а – заполнение промежутков по геометрическим построениям, б, в – дополнительное размещение частиц

в оставшихся свободных промежутках
Дополнительное размещение «мелких» частиц позволяет заполнить свободные промежутки произвольным образом. Видно, что количество дополнительных частиц, которые возможно разместить в каркасах их «крупных» частиц, существенно возрастает. Если при расчетном заполнении количество "малых" частиц составляет в зависимости от типа упаковки от 0,63 до 5 %, то максимальное количество частиц, размещаемое при «произвольной» упаковке увеличивается до 25 %. Это показывает, что в каркасе, образованном крупными и хорошо прессующимися частицами, можно разместить достаточное количество «мелких» плохо прессующихся частиц без снижения теплопроводности и электрической прочности композиционного материала, составленного таким образом.

Изготовлен композиционный материал из УД-частиц гексагонального нитрида бора и оксида магния. Нитрид бора имеет высокую теплопрводность и электрическую прочность при рабочей температуре. Но самое главное – он негигроскопичен и не содержит растворенных газов. Второй компонент композита, оксид магния, также теплопроводен, хотя имеет худшую электрическую прочность и гигроскопичен, но отлично прессуется.

Частица оксида магния имели размеры в интервале 1–3 мкм, частицы нитрида бора – 30–80 нм. Моделирование показало, что каркас из прессующегося оксида магния может составлять от 3 до 15 % общей массы композита (15–45 % объема).

Эксперимент показал, что, действительно, смеси нитрида бора и оксида магния с содержанием от 3,5 до 25 % масс. последнего имеют достаточную прессуемость, а прессованные образцы позволяют производить с ними различные манипуляции – перегрузку, опрокидывание и другие действия, необходимые в ходе дальнейших технологических операций.

При содержании оксида магния в смеси свыше 10 % начинает сказываться гигроскопичность оксида магния, поэтому для дальнейшего использования в реальных изделиях решено применять смеси, хотя и обедненные по оксиду магния, но достаточно хорошо прессующиеся и не осыпающиеся при дальнейших манипуляциях.

Испытания экспериментального трубчатого нагревателя показали устойчивость работы при тепловом потоке до 2 МВт/м2 при температуре по оси нагревателя – 1200 С.

Формирование композита «живое–неживое» вдоль линий нормальных напряжений. Установка имплантата сопровождается его неизбежным отторжением поскольку при росте окружающих тканей размеры имплантата не меняются. Это обусловливает необходимость реимплантации через 5–10 лет. Кроме того, наблюдается остеолиз костной ткани челюсти вследствие несоответствия твердости материала имплантата и кости, что либо требует реимплантации, либо делает имплантацию невозможной при локальном остеопорозе челюстной кости. То есть имплантат не является пожизненным.




Рис. 2. Фрактально структурированные частицы никелида титана после интенсивного размола на закритической скорости. Хорошо видно, что частицы вытянуты, разорваны и имеют развитую поверхность

Необходимо создать вокруг металлической «ткани» имплантата промежуточный слой, аналогичный периодонту в живых организмах. Искусственный периодонт, образующийся вокруг установленного имплантата, можно создать, введя фрактально структурированные нано- и микрочастицы металла или интерметаллида, аналогичного материалу дентального имплантата, фрактально структурированные частицы серебра, распределенные в связке, состоящей из гелевой композиции из аутоплазмы крови пациента наночастиц соответствующего металла или интерметаллида и коллоидного серебра.

Такая структура искусственного периодонта обеспечивает изменение размеров и плотности искусственного периодонта по мере изменений окружающей его костной ткани и в зависимости от функциональной нагрузки имплантата, а наличие в составе искусственного периодонта частиц серебра обеспечивет устойчивость к инфекции и улучшение приживляемости зубного имплантата.

Например, если устанавливаемый имплантат изготовлен из никелида титана с памятью формы, то для основы периодонта используют фрактальноструктурированные частицы никелида титана после размола на закритической скорости, например такие, как показанные на рис. 2.

Размер частиц выбирают до 200 мкм. Частицы никелида титана перемешиваются в сухом виде с пористыми частицами серебра до 200 мкм, добавляют плазму крови, сгусток плазмы крови, фрагментированный до размера частиц не более 0,1 мм по длине и ширине.

Н

Рис. 3. Состояние будущего периодонта после инъекции:

1 – имплантат из никелида титана; 2 – инъекция геля из нанопорошка никелида титана и аутоплазмы

Рис. 4. Образование плотных слоев промежуточной композиции «живое–неживое» после пяти месяцев. Видно образование сферических слоев из тканей различной плотности в соответствии с нагрузкой:

1 – имплантат из никелида титана; 2 – искусственный периодонт

а рис. 3 представлено состояние композиции после введения ее шприцем в область установки имплантата, слева – рентгенограмма, а справа – то же изображение, инвертированное с контрастирующей обработкой для четкости. На рис. 4 показано состояние введенного препарата через 3 мес. Как и на фигуре 2, слева показана рентгенограмма, а справа – инвертированное изображение с контрастирующей обработкой. Видно, что частицы никелида титана «выстроились» по линиям нормальных напряжений, плотно окружив «корень» имплантата сферическим образованием, что способствует демпфированию усилий, возникающих при пережовывании пищи. Наблюдения в течение до пяти лет показали, что величина композитного образования меняется по мере роста окружающих его тканей.

Резание нержавеющей стали резцами из твердого сплава со структурой модифицированной добавками нанопорошка карбида вольфрама. Добавление к стандартному твердому сплаву ВК8 наночастиц карбида вольфрама в количестве от 0,5 до 5 % формируется мелкозернистая равновесная структура сплава, в котором количество зерен от 100 до 500 нм составляет 80–90 %. Это хорошо видно на рис. 5.

Уменьшение размеров зерен твердого сплава повышает стойкость режущего инструмента, поскольку увеличивается число зерен одновременно участвующих в резании. Одновременно увеличивается кромкоустойчивость режущего инструмента, поскольку режущая кромка становится менее зазубренной.

Поскольку количество мелких зерен существенно возрастает, то возрастает и динамическая вязкость, т.е. сопротивление твердого сплава ударам.

Интегральные характеристики модифицированного сплава ВК8 приведены в табл. 1, из которой видно, что основные свойства – твердость и прочность – находятся на уровне лучшего к настоящему времени твердого слава H10F фирмы SANDVIK, в то время как сопротивление удару существенно выше.




Рис. 5. Изменение микроструктуры твердого сплава ВК8 в зависимости от количества добавляемого нанопорошка карбида вольфрама: А – исходный твердый сплав; Б – добавлен 1 % нанопорошка, В – 2 %,



Исследования процесса резания новыми твердыми сплавами показали, что изменяется не только стойкость инструмента, но и повышается кромкоустойчивость, снижаются шероховатость обработанной поверхности и уровень шума при обработке. Характер резания – плавный, спокойный.
Таблица 1

Механические характеристики твердых сплавов


Марка сплава

Плотность, г/см3

Предел прочности при поперечном изгибе, МПа

Твердость HRA,

кг/мм2

Ударная вязкость, К1с, кгс м/мм2

ВК8, ГОСТ 3882-74

14,4–14,8

1600

87,5

0,25

ВК8УДП

14,3–14,6

1800

89–90

1,5–2,0

H10F, SANDWIK

14,6–14,8

1800

90

0,5


Испытание при резании проводилось с использованием стандартной плстины 12×12×3 без заднего угла. Результаты представлены на рис. 6 и в табл. 2.
Таблица 2

Износ по задней поверхности пластин при точении нержавеющей стали 12Х18Н10Т

при V = 100 м/мин; SO = 0,15 мм/об; t = 1 мм


Время работы, мин

Марка сплава

ВК8, модиф.

ВК6 ГОСТ

8

0,18

0,22

16

0,24

0,34



С

Время испытания, с
Рис. 6. Сравнение износа по задней

поверхности резцов из твердого сплава

стадартного и модифицирванного

оздание фрактальных ориентированных структур в наночастицах при размоле на закритической скорости.
Наночастицы металлических порошков и порошков твердых соединений имеют, в основном, форму, обусловленную силами поверхносного натяжения. Поскольку формирование таких частиц происходит сравнительно свободно – в газовой (плазменной) среде или в среде жидкости, то частицы имеют форму, приближающуюся к сферической либо к форме кристаллов, присущих данному соединению.

Такая «завершенная» форма частиц характеризуется плохой смачиваемостью, особенно – физиологическими средами и, как следствие, плохой прижовляемостью в случае введения таких порошков в ткани.

Последнее особенно важно при создании искусственного периодонта – промежуточной ткани между металлическим имплантатом и тканью мышц или кости.

Из рис. 7 (1) видно, что поверхность синтезированной частицы никелида титана гладкая, а следовательно живой ткани не за что «зацепиться» при вживлении такой частицы.

Размол частиц в обычных барабанных мельница показывает, что энергии размольных тел не хватает. Буквально – чуть-чуть, чтобы разорвать частицу, создать на ее поверхности некий рельеф.

Задачу удалось решить, увеличив потенциальную энергию размольных тел в барабанной мельнице, применяя размол на «закритической» скорости, при которой размольное тело поднимается до самой верхней точки внутренней поверхности барабана мельницы.



Рис. 7. Формирование фрактальной структуры на поверхности частицы из никелида титана

при размоле на «закритической» скоростию:

1 – исходная частица никелида титана; 2 – начало размола, частица удлинилась и расплющилась;

3, 4 – частица разорвана на части с развитой поверхностью
При этом потенциальная энергия размольного увеличивается сравнительно ненамного – до 15 %, но этого оказалось вполне достаточно.

При таком повышении интенсивности размола «натирание» или «намолот» грязи со стенок мельницы и размольных тел не увеличивается, и продукт остается чистым.

Проверялся размол на центробежной планетарной мельнице и в аттриторе – на этих установках продукт загрязнялся продуктами износа до недопустимой величины.

На рис. 7 (1, 2) показана начальная стадия размола частицы никелида титана – хорошо заметны удлинение частицы и появление разрывов в поперечном направлении. При дальнейшем размоле частица разрывается на фрагменты, показанные на рис. 7 (3, 4), по поверхности которых образуются многочисленные трещины, выступы, каверны и другие элементы фрактального рельефа.

При введении таких частиц в составе геля для формирования искусственного периодонта живые мягкая и костная ткани прорастают во многочисленные пустоты, щели и впадины.



Похожие:

Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconПрограмма «физика атомного ядра и частиц»
Цель программы. Деятельность магистра физики направлена на исследование структуры и свойств природы на различных уровнях ее организации...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconКакой быть школе в эпоху нано-технологий…
Можно по–разному относиться к вдруг ставшему популярным в нашей стране бренду «нано»
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconГлаголица как древнейшая система образования
Научный редактор – Н. В. Маслова, д психол н., к ист н.,действительный член раен, нано, аст, президент нано
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconЗависимость рельефа от внешних геологических процессов
Обучающие: выяснить влияние внешних сил Земли на формирование рельефа. Предметные знания –влияние выветривания, оледенения, текучих...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconВлияние излучения на движение каналированных частиц
...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconНеобоснованные названия нано-продукции
Нанотехнологии, которые можно определить как междисциплинарную область науки, изучающую закономерности физико-химических свойств...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconНачиная разговор о нанотехнологиях, необходимо, прежде всего, понять значение приставки нано
В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Сперва эта приставка использовалась в таких науках как химия и биология в значении...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconПроцессы нано- и микроструктуирования поверхности металлов под действием излучения твердотельных лазеров с диодной накачкой
Полученные результаты позволяют осуществить выбор параметров лазерного воздействия с целью контролируемого нано- и микроструктуирования...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов iconЗакон сохранения момента импульса план 1 Определение 2 Частный случай сохранения 3 Закон сохранения момента импульса для одного тела 4 Иллюстрация
Этот закон следует из изотропности нашего пространства, т е. из одинаковости его свойств по любому направлению. Иначе говоря, поворот...
Влияние ультрадисперсных (нано-) частиц на формирование свойств материлов icon«Формирование личности в обществе»
Гипотеза и ведущая идея: на формирование личности важнейшее влияние оказывает в первую очередь семья, а потом все другие общест-...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org