Волошин Олександр Вікторович. Модифікація трибологічних властивостей монокристалів корунду для виробів медичного і технічного застосування : Дис... канд. наук: 05.02.01 - 2006.
Анотація до роботи:
Волошин О.В. Модифікація трибологічних властивостей монокристалів корунду для виробів медичного і технічного застосування. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 — матеріалознавство. – Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2006.
Дисертація присвячена дослідженню трибологічних властивостей монокристалів корунду в залежності від кристалографічних параметрів і особливостей вирощування, відпалу й обробки.
У роботі приведені результати дослідження трибологічних властивостей пар тертя з монокристалів корунду з різними комбінаціями матеріалів елементів пари та з різною кристалографічною орієнтацією контактуючих площин. Показано, що при визначеній кристалографічній орієнтації контактуючих площин монокристалічні пари тертя можуть мати досить низький і стабільний коефіцієнт тертя, а також високу зносостійкість. Установлено залежність коефіцієнта тертя і працездатності пари тертя від заданого на стадії попередньої обробки рельєфу поверхні. Ефективність застосування сапфіра в хімічній технології і в якості медичних імплантатів, крім інших факторів, залежить від ступеня змочуваності поверхні контактуючими рідкими субстанціями. Тому був досліджений вплив анізотропії решітки на змочуваність поверхні.
Всебічно досліджена можливість застосування монокристалів корунду у вузлі тертя ендопротеза кульшового суглоба. Експериментально доведено, що з пар тертя Co-Mo-Cr/поліетилен, кераміка/поліетилен, сапфір/поліетилен, по сукупності функціональних властивостей, перевагу має пара сапфір/поліетилен.
Визначено оптимальні фізико-механічні параметри сапфірових елементів для виробів медичного застосування. Показано вплив анізотропії кристалічної решітки сапфіра на міцність і точність виготовлення (несферичність) ендопротеза із сапфіровою голівкою. Для надійного кріплення монокристалічного елемента до несучої конструкції розроблена технологічна методика одержання еластичного нероз'ємного з'єднання сапфіра з титановою ніжкою, з високими демпферними характеристиками.
В результаті проведених досліджень розроблені фізико-технологічні основи одержання виробів з монокристалів корунду з високими експлуатаційними біомеханічними характеристиками, встановленні залежності основних функціональних властивостей монокристалів корунду від кристалографічних параметрів, особливостей відпалу й обробки, а також розроблена конструкція ендопротезу кульшового суглоба із сапфіровою голівкою.
1. Визначено залежність трибологічних властивостей сапфіру від кристалографічних параметрів:
Експериментально встановлено, що знос сапфіру залежить від кристалографії виробів. При обробці вільним абразивів відмінність у зносі площин складає 1,7…2,1, при обробці закріпленим абразивом - 2,5…2,9 рази.
Мінімальна швидкість зносу спостерігається в площині (0001) при будь-якому виді обробки. Максимальна швидкість зносу: для закріпленого абразиву — у площині ; для вільного абразиву — у площині . Розходження, що спостерігаються у швидкості зносу, обумовлені впливом режиму шліфування на механізм відколоутворення, що у свою чергу залежить від кристалографічної орієнтації.
Показано залежність коефіцієнта тертявід кристалографії сапфіра. Найбільш низькі значення коефіцієнта тертя на рівні 0,13 отримані на парі (0001)/, у якій максимальна різниця в мікротвердості і ретикулярній щільності атомів.
2. Вивчена залежність змочування сапфіра рідинами різної в'язкості від кристалографічної орієнтації. Кут змочування максимальний для площини (0001). Мінімальне значення кута змочування водою спостерігається в площинах і , для гліцерину - у площині , що зв'язано з різною поверхневою енергією даних площин, які, відповідно, по-різному взаємодіють з молекулами полярної (дистильована вода) і неполярної (гліцерин) рідин.
3. Показано залежність зносостійкості і міцності монокристалів корунду від окислювально-відновного потенціалу середовища високотемпературного відпалу. Відпал в атмосфері водню максимально підвищує зносостійкість лейкосапфіру, що зв'язано з насиченням кристала атомами водню й збільшенням межі міцності корунду через утворення деякої частки водневих зв'язків. Відпал у вакуумі збільшує міцність на 25–42% у порівнянні з вихідним станом. Найбільший вплив на збільшення міцності робить процес послідовних відпалів у вакуумі та у водні. Такий режим дозволяє збільшити міцність сапфіра при згинанні на 60–70%. Межа міцності полірованих зразків, після відпалу в водні, на 62–78% вище, ніж відповідних шліфованих.
4. Установлено залежність коефіцієнта тертя і працездатності пари тертя від заданого на стадії попередньої обробки рельєфу поверхні. Лінійний знос пари сапфір-поліетилен з заглибленнями в сапфіровій голівці, краї яких округлені і заполіровані, знижується на 26–30 %, коефіцієнт тертя зменшується на 19–25%.
5. Експериментально доведено, що з пар тертя Co-Mo-Cr/поліетилен, кераміка/поліетилен, сапфір/поліетилен, по сукупності функціональних властивостей (коефіцієнт тертя, зносостійкість, біоінертність, відсутність хімічних реакцій) перевагою володіє пара сапфір/поліетилен.
6. З метою одержання ендопротезу кульшового суглоба із сапфіровою голівкою:
Встановлено зв'язок відхилення від сферичності при виготовленні прецизійних сапфірових куль із кристалографічними параметрами корунду.
Розроблено адгезивне з'єднання сапфір/поліетилен/титан з високими демпферними, адгезивними і механічними характеристиками.
Показано, що міцність сапфірової голівки істотно залежить від кристалографічної орієнтації. Для досягнення максимальної міцності з'єднання чашка/голівка/поліетилен/шийка при виготовленні сапфірової сфери необхідно вісь С сумістити з віссю отвору.
Розроблено і виготовлена партія ендопротезів із сапфіровою голівкою, що відповідають всім вимогам по ендопротезуванні штучного суглоба. В Інституті патології хребта і суглобів імені проф. М.И. Сітенка успішно проведені операції по ендопротезуванні даного кульшового суглоба. Клінічні дослідження показали, що нова конструкція ендопротеза кульшового суглоба із сапфіровою голівкою має переваги перед аналогами.
Публікації автора:
Voloshin A.V., Lytvynov L.A. Effect of sapphire crystal structure peculiarities on attrition wear// Functional materials.– 2002.–Vol.9,№3.– P.554-555.
Волошин А.В., Литвинов Л.А., Островская Е.Л., Юхно Т.П., Тимченко И.Б. Влияние кристаллографической ориентации на трибологические характеристики монокристаллов корунда // Материалы электронной техники.– 2004.–№1.–С.16-19.
Розенберг О.А., Сохань С.В., Литвинов Л.А., Волошин А.В. Использование сапфира для изготовления элементов эндопротезов суставов // Високі технології в машинобудуванні.–2004.–№1.–С.117-123.
Корж Н.О., Філіпенко В.А., Островська О.Л., Юхно Т.П., Литвинов Л.А., Севидова О.К., Тимченко І.Б., Глухова А.Г., Похил Ю.В., Волошин О.В. Трібологічні дослідження монокристалічних пар тертя для ендопротезів штучних суглобів // Вісник ортопедії, травматології та протезування.– 2003.–Т. 3,№38.– С.34-37.
Волошин А.В., Литвинов Л.А., Островская Е.Л., Юхно Т.П., Тимченко И.Б. Влияние кристаллографии на трибологические характеристики монокристаллов корунда // Сборник тезисов Второй Международной конференции по физике кристаллов “Кристаллофизика 21-го века”, посвященной памяти М.П. Шаскольской, М.:МИСиС.– Москва (Россия).– 2003.– С. 42–44.
Волошин А.В., Литвинов Л.А., Островская Е.Л., Юхно Т.П., Тимченко И.Б. Влияние кристаллографии на трибологические характеристики монокристаллов корунда // Збірник тез Відкритої Всеукраїнської Конференції молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”.– НТК “Інститут монокристалів”, Харків(Україна).– 2003.– С.80.
Введенский Ю.В., Гаврилов Р.В., Островская Е.Л., Юхно Т.П., Глухова А.Г., Тимченко И.Б., Филипенко В.А., Волошин А.В., Литвинов Л.А., Севидова Е.А. Исследование трибологических свойств биоматериалов для эндопротезов суставов// Сборник тезисов Международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”, Х:Каравелла, Харьков (Украина).– 2005.– С.71–72.
Vvedensky U.V., Gavrilov R.V., Ostrovskaya Ye.I., Yukhno T.P., Golukhova A.G., Timchenko I.B., Filipenko V.A., Voloshyn O.V., Lytvynov L.A. Comparative tribologic investigation of the materials for the joint endoprostheses // Proc. International Conference “Crystal Materials'2005”.– Kharkov:STC “Institute of Single Crystals”.– Kharkov (Ukraine).– 2005.– P.230.
