1533

30 : 5 : 2 : 3), показали степень очистки отходящих газов печей от угарного газа и метана в пределах 94–99 %.

Созданные на основе наноматериалов каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобильных двигателей позволили снизить содержание оксида углерода для дизельного двигателя в 7 40 раз, для бензинового – более чем в 10 раз.

7.2. Медицинские и биологические материалы

Все активнее наноматериалы используются в медицине в качестве имплантатов, протезов и инструментария. Во многих странах ведутся работы по поиску надежных материалов для замены поврежденных частей тела человека. Современная хирургия и стоматология нуждаются в материалах с высокой химической инертностью при сохранении большой механической прочности. В последнее время в качестве эндопротезов суставов, специальных пластин для фиксации травматических участков трубчатых костей, конических винтов для фиксации позвоночника, имплантатов для стоматологических целей используются легкие и прочные наноструктурные титановые сплавы и чистый титан.

Применение Ti в имплантологии объясняется практически полной, в отличие от других материалов, биологической совместимостью этого металла и некоторых его сплавов с живой тканью. Длинномерные наноструктурные титановые прутки, полученные комбинированными методами обработки с использованием ИПД, являются полуфабрикатами для производства медицинских имплантатов. При этом эффективность разработки наноструктурных материалов для медицинского применения определяется не только механическими и усталостными свойствами самого материала, но и конструкцией имплантата, которая должна обеспечить максимальную прочность изделия при эксплуатации. Исследования по совершенствованию конструкции имплантатов из наноструктурных титановых полуфабрикатов позволили, например, в изделиях «винтах» из наноструктурного титана Grade 2 достичь «конструктивного» предела выносливости ( -1 = 591 МПа), превышающего предел выносливости крупнозернистого титанового сплава. Таким образом, за счет комплексного повышения прочностных характеристик удалось добиться снижения массы и размеров имплантатов. На рис. 7.10 приведена конструкция устройства для коррекции и фиксации позво-

122

elib.pstu.ru

ночника, в которой удалось за счет использования нового материала существенно снизить вес конструкции без ущерба для механической и усталостной прочности 8 .

Рис. 7.10. Конструкции для коррекции и фиксации позвоночника: а – из титанового сплава с обычной структурой (справа), и из нанотитана (слева); б – имплантируемое устройство с комплексом инструментов для операции

В современной хирургии, травматологии и стоматологии находят применение материалы с памятью формы (главным образом никелид титана TiNi). Эффект памяти формы проявляется в обратимом при определенных условиях изменении формы, что используется в ряде областей техники. Рабочие органы эндоскопов, фиксаторы и скобы для суставов, экстракторы для извлечения камней из мочеточников – вот некоторые из медицинских приложений эффекта памяти формы. Восстановление заданной формы этих инструментов осуществляется за счет температуры человеческого организма или при нагреве электрическим током. На рис. 7.11 показано действие экстрактора для извлечения камней. Методы интенсивной пластической деформации, приводя к аморфизации структуры TiNi и нанокристаллизации при последующем отжиге, обеспечивают образование нанокристаллической структуры и повышение механических свойств в 1,5–2,5 раза, а также долговечность эксплуатации [39].

Еще один из биосовместимых и биоактивных материалов – это гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2. Он используется как индивидуально, так и в составе полимерных, стеклянных, углеродных и других композитов для изготовления искусственных имплантатов, наполнителей костных дефектов, создания покрытий на металлических имплантатах, для пломбирования зубов и т.д. Одна из основных проблем для мате-

123

elib.pstu.ru

риалов этого типа – повышение механической прочности и трещиностойкости. По этим показателям гидроксиапатитовые изделия значительно уступают человеческой костной ткани, которая тоже примерно на 70 % состоит из гидроксиапатита (остальное – это белковые волокна (20 %) и вода). Использование ультрадисперсных порошков при получении гидроксиапатита позволяет повысить прочность и снизить температуру спекания (что важно, поскольку при высоких температурах это соединение разлагается), но в целом проблема реализации наноструктуры с высокими механическими свойствами применительно к Ca10(PO4)6(OH)2 остается пока нерешенной. Следует отметить, что практически все или во всяком случае многие из природных биоматериалов (например, костные ткани, материалы зубов, кожи и т.п.) по своим физико-химическим и физико-механическим свойствам, не говоря уже о биологических характеристиках, пока значительно превосходят их искусственные аналоги и в этом отношении наноструктурные подходы являются особенно ценными.

Рис. 7.11. Экстрактор в виде петли 38 : а, б – исходное состояние; в – рабочее состояние; г – петля подведена выше камня;

д, е – захват одного и двух камней соответственно

В настоящее время наноматериалы опробованы в производстве лекарственных средств, препаратов, витаминов 20 . В частности, перспективны для лечения ряда онкологических заболеваний ферромагнитные жидкости, содержащие нанопорошки железа и никеля. Воз-

124

elib.pstu.ru

можно также создание лекарств на основе нанопорошка железа с пролонгированным действием для лечения заболеваний кроветворных органов, по заживлению ран, язв желудка.

Поскольку различные модификации нанооксидов железа имеют окраску от коричневого до красного, данные материалы успешно опробованы в качестве цветных пигментов в стоматологии.

Высокую эффективность показали противоожоговые повязки с использованием нанопорошка серебра, которые позволяют исключить перевязки во все время заживления. Эта возможность существенно сокращает время выздоровления и максимальноуменьшает болевыеощущения.

Очень удобны для практического использования рентгеноконтрастные шовные материалы, которые представляют собой шелковые, лавсановые или капроновые нити с нанесенным на них по специальной технологии слоем нанодисперсного вольфрама.

Экспериментально показана целесообразность применения наноадсорбентов в микробиологических, медицинских и мембранных технологиях вследствие их высокой адсорбционной способности по отношению к микроорганизмам.

Таким образом, уже сегодня наноматериалы применяются в разных отраслях промышленности, ракетной и космической технике, медицине, биологии. Можно не сомневаться, что с развитием технологий получения наноматериалов, решением существующих проблем их получения и снижением стоимости эти материалы будут находить все более широкое применение.

125

elib.pstu.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Нанотехнологии. Азбука для всех / под ред. Ю.Д. Третьякова. –

М.: Физматмет, 2010. – 368 с.

2.Новые материалы / под науч. ред. Ю.С. Карабасова. – М.: Изд-

во МИСИС, 2002. – 736 с.

3.Волков Г.М. Объемные наноматериалы: учеб. пособие. – М.:

КНОРУС, 2011. – 168 с.

4.Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. –

М.: Academia, 2005. 192 с.

5.Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. –

М.: Физматлит, 2000. – 224 с.

6.Гусев И.А. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. –

М.: Физматмет, 2009. – 416 с.

7.Котов Ю.А. Нанопорошки, получаемые с использованием импульсных методов нагрева мишени // Перспективные материалы. – 2003. – № 4. – С. 79–82.

8.Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структуры и свойства. – М.: Академкнига, 2007. – 398 с.

9.Андриевский P.А. Порошковое материаловедение. – М.: Ме-

таллургия, 1991. – 203 с.

10.Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы: пер. с япон. / под ред. Ц. Масумото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.

11.Левин Ю.Б. Модель процесса формирования аморфной ленты

втехнологии закалки плоской струи расплава Металловедение и термическая обработка металлов. – 2009. – № 3. – С. 46–49.

12.Филонов М.Р., Аникин Ю.А., Левин Ю.Б. Теоретические основы производства аморфных и нанокристаллических сплавов методом сверхбыстрой закалки. – М.: Изд-во МИСИС, 2006. – 328 с.

13.Левин Ю.Б. Технология получения аморфных лент с заданным

уровнем магнитных свойств методом закалки плоской струи расплава Металловедение и термическая обработка металлов. – 2009. – № 10. –

С. 28–31.

14. Влияние деформации и отжига на структуру и свойства аморфных сплавов / Н.И. Носкова, Н.Ф. Вильданова, А.П. Потапов, А.А. Глазер Физика металлов и металловедение. – 1992. – № 2. –

С. 102–110.

126

elib.pstu.ru

15. Влияние деформации прокаткой на процесс кристаллизации аморфного сплава Fe81Si7B12 / Н.И. Носкова, Н.Ф. Вильданова, Р.И. Тагиров [и др.] Физика металлов и металловедение. – 1989. – Т. 67, № 6. –

С. 1183–1191.

16.Деформация и свойства лент аморфных сплавов Fe5Co80-xSi15Bx

/Н.И. Носкова, Н.Ф. Вильданова, А.П. Потапов, А.А. Глазер Физика металлов и металловедение. – 1987. – Т. 64, № 5. – С. 1011–1017.

17.Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. – М.: Логос, 2000. – 272 с.

18.Эволюция структуры ГЦК монокристаллов при больших пластических деформациях / Н.А. Смирнова, В.И. Левит, В.И. Пилюгин [и др.] // Физика металлови металловедение. – 1986. – Т. 61. – С. 1170–1177.

19.Процессы пластического структурообразования металлов / В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов [и др.]. – Минск: Навука i

технiка, 1994. – 250 с.

20.Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы: учеб. пособие. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 365 с.

21.Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: Изд-во МИСИС, 2001. – 416 с.

22.Титановые сплавы: Металловедение титана и его сплавов / под ред. Б.А. Колачева, С.Г. Глазунова. – М.: Металлургия, 1992. – 357 с.

23.Brunette D.M., Tengvall P., Textor М., Thomsen P. Titanium in

medicine Engineering Materials. – 2001. – Vol. 5. – P. 1019–1024.

24.Structural and mechanical properties of nanocrystalleve titanium processed by severe plastic deformation / A.A. Popov, I.Yu. Pyshmintsev, S.L. Demakov [et al.] // Scripta Mater. – 1997. – Vol. 37. – P. 1089–1094.

25.Sergueeva A.K, Stolyarov V.V., Valiev R.Z., Mukherjee A.K. Advanced mechanical properties of pure titanium with ultrafine grained structure // Scripta Mater. – 2001. – Vol. 45. – P. 747–752.

26.Salishchev G.A., Zherebtsov S.V., Galeyev R.M. Formation of Submicrocrystalline Structure in Titanium and its Alloy // Ultrafine Grained Materials II, TMS (The Minerals, Metals and Materials Society). – 2003. – Vol. 5. – P. 123–125.

27.Zherebtsov S.V., Salishchev G.A., Galeyev R.M. Formation of Submicrocrystalline Structure in Titanium and its Alloy under Severe Plastic

127

elib.pstu.ru

Deformation // Defect and Diffusion Forum. – 2002. – Vol. 208–209. –

P.237–240.

28.Жеребцов C.B., Салищев Г.А., Галеев P.M. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане и его сплавах // Физикохимия ультрадисперсных систем: сб. науч. тр. конф. – Екатеринбург, 2001. – С. 189.

29.Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978. 392 с.

30.Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.] – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,

2003. 648 с.

31.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учеб. для вузов. – 5-е изд. – М.: Альянс, 2009. – 528 с.

32.Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки металлов. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. – 192 с.

33.Диспергирование структуры сталей в условиях интенсивного термического воздействия. Часть 3. Исследование фазовых и структурных превращений в стали 12Х2Г2НМФТ при скоростной

термоциклической обработке / Д.О. Панов, Ю.Н. Симонов, П.А. Леонтьев, Л.Ц. Заяц // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2012. – № 11. – С. 28–32.

34.Фетисов Г.П. Нанокристаллические и консолидированные материалы: учеб.-метод. комплекс. – Калуга; М.: Эйдос (ИП Кошелев А.Б.), 2011. – 271 с.

35.Golden Kumar, Hong X. Tang, Jan Schroers. Nanomoulding with amorphous metals // Nature. – 2011. – Vol. 457. – P. 868–872.

36.Офиц. сайт ЗАО «Новомет-Пермь». – URL: www.novomet.ru.

37.Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition / Zongping Chen, Wencai Ren, Libo Gao, Bilu Liu, Songfeng Pei, Hui-Ming Cheng // Nature Materials. – 2011. – Vol. 10, № 6. – P. 424–428.

38.Журавлев В.Н., Пушин В.Г. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2000. – 150 с.

39.Пушин В.Г., Валиев Р.З. Структура, фазовые превращения и

свойства наноструктурных сплавов на основе TiNi с памятью формы Проблемы нанокристаллических материалов под ред. В.В. Устинова, Н.И. Носковой. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002. – С. 242–257.

128

elib.pstu.ru

Учебное издание

Некрасова Татьяна Витальевна, Некрасова Валентина Николаевна

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

КОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Авторы выражают благодарность Д.О. Панову за предоставленные материалы и Г.С. Шайманову за помощь в оформлении рукописи.

Редактор и корректор Н.В. Бабинова

Подписано в печать 24.10.13. Формат 70 100/16.

Усл. печ. л. 10,64. Тираж 100 экз. Заказ № 228/2013.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

129

elib.pstu.ru