Исследования влияния технологических факторов на адгезионные свойства биоактивных покрытий

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО Саратовский государственный

технический университет имени Гагарина Ю.А.

Кафедра «Физическое материаловедение и технологии новых материалов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Напыленные покрытия. Технология и оборудование»

Тема: «Исследования влияния технологических факторов на адгезионные свойства биоактивных покрытий»

                                                               Выполнил: студент гр. ВМТ-51

                                                               Коломиец И.А.

                                                               Проверил: д.т.н., профессор

                                                               Лясников В.Н.

Саратов, 2011

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: «ИСЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ»

2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методы неравномерного отрыва

2.2 Метод равномерного отрыва

2.3 Метод сдвига

2.4 Устройство и работа растрового электронного микроскопа

3. АДГЕЗИЯ. ТЕОРИИ АДГЕЗИИ

4. ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ МЕТОД НАНЕСЕНИЯ БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ

4.1 Физические основы метода

4.2 Структурная схема плазменного напыления

4.3 Конструктивная схема генератора плазменного напыления

4.4 Функциональная схема механизированной установки для обработки плазменным напылением

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСЛЕДОВАНИЯ

ВЫВОД

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Важной и перспективной проблемой современной стоматологии является исправление дефектов зубных рядов посредством имплантатов. В настоящее время на практике широкое применение нашли конструкции имплантатов сложной структуры. Они, как правило, состоят из основы, системы переходного слоя и тонкого биокерамического слоя.

Материалом основы чаще всего служат титан или нержавеющие стали; они обладают хорошей стабильностью и безопасны для живого организма. Имеется широкий выбор конструкций формы основы имплантатов, позволяющей исправить дефекты верхней и нижней челюсти, передних зубов, обеих челюстей. Однако серьезной проблемой в этом случае является отторжение имплантата костной тканью и нарушение границы контакта живая ткань – поверхность имплантата. В результате чего происходит смещение имплантата и как следствие невозможность выполнения им своей функции. Поэтому радикальным способом решения указанной проблемы является формирование на поверхности имплантата тонкого биологически активного слоя с определенными пористой структурой, морфологией поверхности, адгезионно-когезионными и другими свойствами. При введении в костную ткань таких имплантатов происходит эффективное прорастание кости в поры покрытия. Или точнее, в процессе заживления происходит интеграция пористопорошкового тонкого слоя напыленной гидроксилапатитовой керамики в собственную костную ткань тела. Это обеспечивает прочное и длительное закрепление имплантата и нормальное его функционирование в организме.

На титановую основу имплантата с помощью технологии плазменного напыления наносится переходный пористый слой из порошка титана, а затем слой биологически активной керамики, прочно соединенной с основой. Благодаря распределению керамики по пористой структуре металла достигаются полное приращение к кости реципиента, а также химико-физиологическая стабильность, что позволяет рассматривать данное вещество как почти идеальное для внутрикостной имплантации.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: «ИСЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ»

Одной из актуальных проблем современной медицины, является необходимость изготовления качественных и безопасных стоматологических и ортопедических протезов и имплантатов. Материалом для изготовления их основы чаще всего служит чистый титан, обладающий хорошей химической и коррозийной прочностью безопасный для живого организма. Биологическая совместимость имплантатов достигается путём нанесения на их основу специального покрытия из биоактивного материала или системы покрытий, состоящих из переходных слоев и тонкого пористого биоактивного наружного слоя.

Рисунок 1 - Имплант, зафиксированный в кости

Рисунок 2 – Эндопротез

Одной из проблем, при изготовлении протезов и имплантатов, является необходимость достижения хороших адгезионных свойств данных покрытий. Адгезионные свойства непосредственно зависят от правильного соблюдения технологического процесса и технологических параметров (режимов): дисперсность порошка, дистанции напыления, ток дуги, напряжение, расход транспортирующего газа, расход рабочего газа, давление транспортирующего и рабочего газа, диаметр сопла и т.д.; для создания многослойных биоактивных покрытий, учитывается, кроме выше перечисленных параметров, шероховатость каждого слоя.

Многие компании борются за первенство в исследовании и изготовлении подобной продукции. Это связанно с техническим прогрессом в мире, т.е. с увеличением экстремальных ситуаций, таких как: автомобильные аварии, аварии на предприятиях, авиа катастрофы и т.д.; с природными катаклизмами и т.п. Также борьба развернута между ведущими государствами (Россией, США, Японией, Китаем, Германией и т.д.) в развитие современной технике. Развитие современной технике невозможно без создания новых материалов и технологий изготовления изделий, обеспечивающих наряду с достижением высоких эксплуатационных характеристик требования энергосбережения и ресурсосбережения, экологической чистоты и эргономичности. Наиболее полно эти требования могут быть реализованы при использовании композиционной структуры изделия, когда основа изготовлена из недефицитного легкообрабатываемого материала, а основную функциональную нагрузку несёт другой материал, покрывающий поверхность изделия. В настоящее время наиболее эффективным процессом получения покрытий с заданным комплексом свойств является электроплазменное напыление.        

2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Методы измерения адгезии осно­ваны на определении приложенного внешнего усилия, под дей­ствием которого в адгезионном соединении возникают нормальные и тангенциальные напряжения, приводящие к разрушению соединения. Эти методы испытаний можно классифицировать по спо­собу нарушения адгезионной связи: неравномерный отрыв, равно­мерный отрыв и сдвиг. Однако следует иметь в виду, что не существует методов, при использовании которых напряжения рас­пределялись бы действительно равномерно и представляли бы собой сдвиг или отрыв в чистом виде. Поэтому такая классифика­ция весьма условна.

В зависимости от метода испытания за меру адгезии могут быть приняты сила, энергия или время. Для динамических мето­дов показателем прочности адгезионного соединения служит число циклов нагружения до разрушения. Сопротивление, которое приходится преодолевать при равно­мерном отрыве или сдвиге, выражается в дин/см2 или Г/см2. Сила, которую затрачивают при отслаивании или расслаивании (нерав­номерном отрыве), называется сопротивлением отслаиванию (расслаиванию) и выражается в дин/см или Г/см. Часто при от­слаивании (расслаивании) определяют работу, затраченную на от­слаивание и отнесенную к единице площади, которую называют удельной работой отслаивания, или работой адгезии, и выражают в эрг/см2. Иногда величину адгезии характеризуют временем, не­обходимым для нарушения связи между субстратом и адгезивом под действием определенной нагрузки.

Наиболее распространены методы неравномерного отрыва (от­слаивания, расслаивания). Они позволяют выявить колебания в ве­личине адгезии на отдельных участках испытуемого образца. Кроме того, эти методы дают достаточно хорошую воспроизводимость результатов и отличаются простотой.

Предположение об одновременном нарушении связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта (методы равномерного отрыва и сдвига) не всегда правильно. По этой причине усилие отрыва или сдвига, отне­сенное к площади отрыва, можно рассматривать только как весьма приближенную характеристику адгезии. И, наконец, следует иметь в виду, что наряду с количественной характеристикой прочности адгезионного соединения необходимо знать характер разрушения — когезионный, адгезионный или сме­шанный.

2.1 Методы неравномерного отрыва

Методы неравномерного отрыва весьма разнообразны. Общим признаком для них является нарушение связи между адгезивом и субстратом, причем усилие прикладывается не к центру соединения, а к одному его краю, поэтому связь нарушается постепенно.

Рисунок 3 - Схемы испытаний по отслаиванию жестких материалов:

а — внецентренное растяжение для блочных материалов; б — изгиб для плиточного

и листо­вого материалов; в — изгиб для листового материала; а—консольный

изгиб.

Рисунок 4 - Схемы испытаний по отслаиванию гибких материалов от жесткой подложки

под углом 90° (а, б, в) и 180° (г) и по расслаиванию гибких мате­риалов (д).

Разделение двух гибких материалов называют расслаиванием, а отделение гибкого материала от жесткого — отслаиванием. Если пленка адгезива (покрытия) недостаточно прочна, то при отделе­нии от субстрата она может разрушиться. Чтобы этого не произошло, пленка укрепляется подходящим армирующим материалом. Пользоваться армирующим материалом приходится и в тех слу­чаях, когда адгезив или субстрат под действием расслаивающего усилия способен сильно деформироваться — растягиваться. В тех случаях, когда разделяются путем постепенного нарушения связи два монолитных, негибких материала, такое испытание называют раскалыванием или отдиром. Все эти виды испытаний могут быть объединены одним общим термином — неравномерный отрыв. Многие из методов стандартизированы. Различные схемы испытаний на неравномерный отрыв приведены на рисунке 3 и 4.

2.2 Метод равномерного отрыва

Методом равномерного отрыва измеряют величину усилия, не­обходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта.

Рисунок 5 - Принципиаль­ная схема измерения адге­зии методом штифтов:

1—планка с отверстиями;

2—штифт; 3— пленка покрытия.

Интересный метод определения адгезии покрытий к под­ложкам основан на отделении подложки от покрытия путем отрыва. Впервые он был разработан для определения сцепляемости электролитических осадков металлов с основой, а затем использован для определения адгезии полимерных покрытий к ме­таллам.

Сущность метода сводится к следующему. В планке-под­ложке прямоугольного сечения просверливаются отверстия, в ко­торые вставляют цилиндрические или конические штифты по скользящей посадке. Торцы штифтов шлифуются вместе с план­кой, затем на эту плоскость наносится покрытие. После формиро­вания покрытия штифты выдергиваются. Однако ме­тод штифтов может оказаться непригодным при использовании покрытий в виде растворов с низким поверхностным натяжением: трудно будет избежать затекания раствора в зазор между штиф­том и стенкой отверстия. Кроме того, пленка покрытия должна обладать определенной механической прочностью, чтобы не произо­шло вместо отслаивания штифта разрушения пленки.

2.3 Метод сдвига

Прочность сцепления при сдвиге оценивается напряжением сдвига:

, (1)

где F – сила сдвига, Н;

S – площадь контакта покрытия с основой, м2 ;

d, b– соответственно диаметр образца и ширина покрытия, м.

К одному из наиболее распространенных способов испытания на сдвиг относятся продавливание образца с покрытием через матрицу, т.е. прочность сцепления с основой исследовалась на сдвиг, согласно схеме, показанной на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема испытания покрытия на сдвиг

На центральную часть поверхности цилиндрического образца (основного металла) напыляется исследуемое покрытие. Образец без покрытия входит по скользящей посадке в матрицу. Затем образец с покрытием устанавливают в матрице таким образом, чтобы покрытие опиралось на торцовую поверхность матрицы. После напыления образцы (рис. 7) охлаждались до комнатной температуры и испытывались продавливанием на прессе типа ZD – 10 производства Германии сквозь закаленное стальное кольцо (рис. 8).

а)                                                              б)