Моделювання, властивості та технології виготовлення багатофункціональної перколяційної кераміки з гідроксилапатиту

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність: Матеріалознавство

МОДЕЛЮВАННЯ, ВЛАСТИВОСТІ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНОЇ ПЕРКОЛЯЦІЙНОЇ КЕРАМІКИ З ГІДРОКСИЛАПАТИТУ

ГРАБАР ОЛЬГА ІВАНІВНА

Луцьк, 2008 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Подальший розвиток ортопедії, стоматології, щелепно-лицьової хірургії, мікробіології, розробка сучасних технологій очистки питної води тощо ставлять перед матеріалознавством задачі розробки наукових основ конструювання, розрахунку та технологій виготовлення багатоцільових біосумісних пористих керамік з наперед заданими властивостями. Найбільш перспективними серед них є біологічно активні матеріали, які поступово розчиняються у фізіологічному середовищі організму, приймають участь у його обмінних процесах та сприяють утворенню нової кісткової тканини, а також гарно зарекомендували себе в біотехнологіях (вирощування штамбів бактерій, тонке очищення рідин тощо) та для виготовлення імплантантів.

Слід зазначити, що крім високої соціальної значущості, розробка штучних імплантантів займає досить вагомий сегмент світового ринку, який оцінюється у більше ніж 40 млрд. доларів США щорічно.

Одним з кращих із відомих на сьогодні матеріалів для виготовлення багатоцільової пористої кераміки є гідроксилапатит:

Експериментально доведено, що він безпосередньо бере участь у біохімічних процесах в зоні контакту з живою тканиною, стимулює її ріст. Новітнім застосуванням керамік, виготовлених з пористого гідроксилапатиту, є створення фільтрів для надтонкого очищення води від важких металів, для вирощування дріжджових бактерій та в інших біотехнологічних процесах, що активно розвиваються. Наведені факти свідчать про актуальність досліджень в даній галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалась в межах Гранту шостої рамкової програми Європейського Союзу №STRP 504937-1 “Multifunctional percolated nanostructured ceramics fabricated from hydroxylapatite” програми наукових досліджень ЖДТУ.

Мета роботи. Провести математичне моделювання, розробити методику та виконати комплексні дослідження механічних властивостей, стійкості в агресивному середовищі, фрактографічні дослідження мікроструктури, на основі чого розробити оптимальну технологію виготовлення перколяційної кераміки з гідроксилапатиту з заданими властивостями.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені та виконані такі завдання:

- розроблена узагальнена математична модель для визначення технологічних параметрів виготовлення перколяційної кераміки;

- розроблена методологія і проведені комплексні дослідження механічних властивостей мікрозразків перколяційної кераміки, проведено експериментальні дослідження процесу пресування порошку гідроксилапатиту та встановлено параметри, що дозволять задавати необхідну пористість кераміки, проведено фрактографічні дослідження мікроструктури перколяційної кераміки в широкому діапазоні режимів її виготовлення та вибрано оптимальну технологію виготовлення по параметру пористості;

- проведено моделювання та розроблено методику і обладнання, виконано експериментальні дослідження хімічної стійкості та дефекту маси в умовах статичного та гідродинамічного занурення мікрозразків в агресивні розчини з різними, наперед заданими рН, запропоновано технологію виготовлення перколяційної кераміки з гідроксилапатиту з оптимальними властивостями.

Об'єктом дослідження є процес виготовлення перколяційної кераміки із синтетичного гідроксилапатиту.

Предмет дослідження - перколяційна кераміка, виготовлена із синтетичного гідроксилапатиту (СГАп-перкераміка).

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження, розробка моделей технологічних процесів виготовлення СГАп-перкераміки проводились на базі досліджень сучасного матеріалознавства, кількісного аналізу, засобів математичного моделювання на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводились з використанням сучасної вимірювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- в результаті проведених досліджень отримані моделі технологічних процесів виготовлення СГАп-перкераміки та проведена її оптимізація, що забезпечує задані характеристики міцності та пористості, в результаті теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано залежність границі міцності на стиск:

- отримана залежність об'єму V від тиску пресування Р і показано, що ця залежність описується політропою;

- експериментальні дослідження мікрозразків СГАп-перкераміки на розтяг вперше дозволили виявити три діапазони впливу температури спікання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблена узагальнена математична модель для визначення технологічних параметрів виготовлення перколяційної кераміки;

- розроблена методика та обладнання, а також проведені експериментальні дослідження хімічної стійкості СГАп-перкераміки в агресивних середовищах в умовах статичного та гідродинамічного навантаження;

- розроблена методологія і проведені комплексні дослідження механічних властивостей мікрозразків перколяційної кераміки на стиск, кручення, розтяг, згин, зріз, циклічний згин, тріщиностійкість.

Особистий внесок здобувача.

Основні результати отримані здобувачем особисто. Вибір наукової проблеми, постановка задач дослідження та обговорення одержаних результатів виконано спільно з науковим керівников доц. Гніліцьким В.В. У роботах отримано основні експериментальні дані по дослідженню: механічних властивостей, хімічної стійкості в агресивних середовищах. Виконано фрактографічні дослідження та проведено обробку експериментальних даних по СГАп-перкераміці.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати досліджень доповідались: на міжнародній науковій конференції по проекту PERCERAMICS (Рига, Латвія, 29.11 - 2.12.2004 р.), на XXX науковій конференції, присвяченій 45-ій річниці ЖДТУ (Житомир, 10-17 березня 2005 року), на NATO ASI Summer School, Advanced Study Institute, “Advanced Science and Technology for Biological Determination of Sites Affected by Chemical and Radiological Nuclear Agents” (17-28 серпня 2005 року, Житомир), на міжнародній науковій конференції по проекту PERCERAMICS, (Dundee, Scotland, Great Britain, 15-17 of September, 2005 р.), на науковій конференції, присвяченій 46-ій річниці ЖДТУ (Житомир, 14-16 березня 2006 р.), на міжнародній науковій конференції по проекту PERCERAMICS (Тель-Авів, Ізраїль, 10-14 березня 2006 р.), на ІІІ міжнародній конференції «Актуальные вопросы и организационно-правовые основы сотрудничества Украины и КНР в сфере высоких технологий», (12 октября 2006, Киев), на міжнародній конференції “18th international Scientific Conference”, (Mittweida, Germany, 9-11 of November, 2006), на VI міжнародній науково-практичній конференції “Практична космонавтика і високі технології” (9-11 січня 2007).

Основні результати дисертаційної роботи впроваджені в:

- Ризькому Технічному Університеті (Riga Technical University);

- Технічному Університеті м. Лодзь, Польща (Technical University of Lodz);

- Тель-Авівському Університеті, Ізраіль (Tel Aviv University);

- Інституті Математичних Проблем Біології Російської Академії Наук, м. Пущино, РФ.

- Житомирському Державному Технологічному Університеті.

Є акти впровадження.

Публікації. За результатами роботи опубліковано 1 монографію (в співавторстві), 5 статей у фахових наукових журналах та збірниках, 2 з яких виконано без співавторства, 1 навчальний посібник та 7 тез конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації складає 188 сторінок машинописного тексту, містить 69 рисунків, 15 таблиць, 113 формул, список використаних джерел має 179 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, охарактеризовано наукову новизну, практичне значення одержаних результатів та особистий внесок здобувача.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу літератури з питань, пов'язаних з тематикою дисертації, зокрема проведено аналіз методів виготовлення та використання гідроксилапатиту, його атомарну і кристалічну будову. В цьому ж розділі наведено напрямки використання гідроксилапатиту.

Другий розділ дисертації присвячено моделюванню мікродеформацій перколяційно-фрактальних середовищ, розглянуто класифікацію тіл Серпинського та самоподібність в закономірностях жорсткості та пружності фрактальних та фрактально-перколяційних систем.

На прикладі тіл Серпинського показано, що геометричні, деформаційні та пружні характеристики фракталів для будь-якого рівня фрактальності можуть бути отримані за співвідношеннями масштабних перетворень:

Наприклад, для фракталів Серпинського класу [hkl] значення масштабних констант для прогнозування модулів пружності можна задати отриманою нами матрицею:

Розглянуто мікронапружений стан анізотропного локального об'єму перкераміки в квазізотропному макрооб'ємі (наближення для тіла Серпинського класу) в пружній постановці:

В наближенні нетекстурованого стержня із тіл Серпинського отримано:

Теоретичний аналіз та числове моделювання показало, що в залежності від орієнтації мікрооб'ємів та рівня фрактальності варіації локальних мікродеформацій та сумарна пористість підлягають залежності (таблиця):

Отримано умови, при яких (за рівністю деформацій) можна отримати еквівалентне тіло Серпинського з циліндричними порами. Порівняння деформацій для тіл з призматичними і циліндричними порами дає:

В третьому розділі наведені особливості конструювання, виготовлення та застосування в проведенні експериментів оригінальних установок для механічних та гідродинамічних випробовувань мікрозразків СГАп-перкераміки. Дані випробування мають ряд особливостей, пов'язаних з малими розмірами зразків, їх крихкістю, пористістю, а також комп'ютерною реєстрацією процесу навантаження, високою точністю вимірюваннь та економічною доступністю. Всі ці особливості враховані в розробленій нами універсальній мікророзривній машині УММ-10.

Дана установка дозволяє реалізувати 4 режими гідродинамічних випробувань в широкому діапазоні динамічних навантажень.

Показано, що в загальному вигляді кутове прискорення куліси з колбою, в якій міститься агресивний розчин, можна обчислити за формулою:

В четвертому розділі наведені методики виготовлення мікрозразків СГАп-перкераміки та виконані дослідження їх механічних, фактографічних властивостей, зміни властивостей в агресивних середовищах. В загальному вигляді від технологічних параметрів можна задати в виді залежності:

В результаті випробувань на стиск, отриманих в широкому діапазоні технологічних параметрів:

ВИСНОВКИ

1. В результаті аналізу літературних публікацій встановлено, що із відомих матеріалів багатоцільового призначення, для імплантантів та потреб мікробіології одним з найперспективніших матеріалів є перколяційна кераміка, виготовлена з гідроксил апатитуРозроблено унікальне обладнання та вперше проведені комплексні дослідження (механічні, корозійно-механічні, гідромеханічні властивості, фрактографія) впливу основних технологічних параметрів (тиску пресування, температури та часу спікання) на пористість, хімічну стійкість та міцність перкераміки з гідроксилапатиту. Проведені теоретичні дослідження напружено-деформованого стану в мікрооб'ємах пористих структур в наближенні монофракталів Серпинського та отримані залежності діапазону мікродеформацій від рівня фрактальності та орієнтації мікрооб'єму до нерухомої системи координат макрозразка.

2. В результаті теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано залежність границі міцності на стиск, яка дозволяє для необхідних характеристик міцності призначити технологічні параметри t і q виготовлення СГАп-перкераміки. В результаті експериментальних досліджень процесу пресування СГАп-порошку отримана залежність його об'єму V від тиску пресування Р і показано, що ця залежність описується політропою виду:

Де:

V - сумарний об'єм;

Vпор - об'єм пор.

3. Встановлено, що час спікання кераміки суттєво впливає на механічні властивості тільки в діапазоні 0…1 години.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. І.Г. Грабар, О.І. Грабар, O.А. Гутніченко, Ю.О. Кубрак, Перколяційно-фрактальні матеріали: властивості, технології, застосування. Житомир 2007 - Наукова монографія. - 354 c.

2. Грабар І.Г., Грабар О.І. Теоретико-ймовірнісне моделювання механічних властивостей деформованих перколяційних середовищ. - Вісник ЖІТІ, 2000. - №15. - С. 3-7. кераміка технологічний пресування

3. Грабар І.Г., Грабар О.І., Кубрак Ю.О. Моделювання властивостей і технології виготовлення перколяційно-фрактальної кераміки з гідроксилапатиту. Процеси механічної обробки в машинобудуванні. Збірник наукових праць. Випуск 2, Житомир, ЖДТУ, - 2005. - С. 11-18.

4. Грабар І.Г., Грабар О.І., Кубрак Ю.О. Розробка наукових основ та моделювання процесів пресування і спікання перколяційної кераміки з гідроксилапатиту. Житомир - Вісник ЖДТУ №1(36), - 2006 р. - С. 3-12.

5. Грабар О.І. Моделювання властивостей та програмно-апаратний комплекс дослідження на розтяг біосумісної кераміки з гідроксилапатиту. Житомир: ЖДТУ - Вісник №4(43), - 2007 р. - С. 10-14.

6. Грабар О.І. Перколяційна кераміка з гідроксилапатиту для біотехнологій, ортопедії та екології. Житомир - Вісник ДАУ №1, - 2008 р. - C.61-72.

7. І.Г. Грабар, О.І. Грабар. Фрактали і тензори в наукових дослідженнях. Навчальний посібник. Житомир 2007 - 70 c.

8. Грабар І.Г., Грабар О.І., Кубрак Ю.О., Патмалнієкс А. Моделювання процесів пресування і спікання перколяційних композитів з гідроксилапатиту. Одеса: - Тези конференції, 28-29 квітня 2006 р. - С. 93-94.

9. Грабар О.І. Моделювання і експериментальні дослідження деградації механічних властивостей та дефекту мас перкераміки з гідроксилапатиту в агресивних середовищах. Житомир: ЖДТУ - Тези ХХХІ науково-практичної міжвузівської конференції, - 14-16 березня 2006. - С. 11-12.

Размещено на Allbest.ru