Національна академія наук України

інститут монокристалів

Волошин Олександр Вікторович

УДК [679.822:620.178.16]+616-77

Модифікація трибологічних властивостей монокристалів корунду для виробів медичного і технічного застосування

05.02.01 — матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті монокристалів НАН України, м. Харків

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Литвинов Леонід Аркадійович

Інститут монокристалів НАН України

завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Данько Олександр Якович

Інститут монокристалів НАН України

завідувач відділу

доктор технічних наук

Мигаль Валерій Павлович

Національний Аерокосмічний Університет

ім. М.С. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти та науки,

професор кафедри фізики

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України, відділ

фізики метастабільних сплавів та руйнування високоміцних матеріалів,

м. Київ

Захист відбудеться “ 18 ” жовтня 2006р. о 1400 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64. 169.01 при Інституті монокристалів НАН

України за адресою: 61001, м. Харків, пр. Леніна, 60.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту монокристалів НАН України за адресою: 61001, м. Харків, пр. Леніна, 60.

Автореферат розісланий “ 14 ” вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук М.В. Добротворська

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Монокристали корунду широко застосовуються в різних галузях науки і техніки. Виробами з корунду комплектуються оптичні прилади видимого інфрачервоного й ультрафіолетового діапазону, активні і конструкційні елементи твердотільних і газових лазерів, прийомні пристрої оптичної і радіаційної пірометрії, різці і філь’єри, підкладки мікросхем і ювелірні вироби, стоматологічні імплантати. Можливість одержання стійких до впливу більшості кислот і лугів, електричностабільних при високих температурах, діелектричнооднорідних, прозорих, тугоплавких, високотвердих монокристалів дозволяє вирішувати багато технічних задач, висуває корунд у число конструкційних матеріалів, що ефективно використовуються у різних умовах, в тому числі і екстремальних.

Зносостійкі деталі із сапфіра не знають собі рівних. Годинникові камені — історично перша технічна галузь застосування штучних кристалів корунду. Приладові камені із сапфіра та рубіна найбільш надійні. Серійно у великих кількостях виготовляються сапфірові підп'ятники — опори осей механізмів, що повинні безупинно працювати десятки років (годинник, лічильники води, газу і т.п.). Через унікальні корозійні і механічні властивості з монокристалів корунду виготовляють такі вироби як нитководії, підкладки, хімічний посуд, різні вікна, термопарні чохли та інше.

Медичне застосування сапфіра і рубіна - нова галузь використання кристалів корунду. Унікальна інертність, у тому числі електролітична пасивність, біосумісність, корозійна стійкість і твердість сапфіра визначили основні галузі його застосування в медицині. Це імплантологія, хірургія і медичне приладобудування.

В даний час в ендопротезах кульшового суглоба найбільш розповсюджені пари тертя метал/поліетилен чи кераміка/поліетилен. Однак при традиційному імплантуванні в організм вводиться значна кількість металу. Наприклад, ендопротез кульшового суглоба - це 300...350 г титана і ще менш фізіологічного сплаву легованої сталі. Продукти корозії металів проникають у кістку, наслідком чого може з'явитися травматичний остеомієліт. Недостатній ресурс розповсюджених металопластмасових шарнірів тазостегнових суглобів (5...7 років) обумовлений високим коефіцієнтом тертя пари метал/поліетилен, що при експлуатації росте. Справа в тім, що час експлуатації протезів суглобів залежить від якості полірування сферичних поверхонь. Металеві і керамічні поверхні не можна віполірувати до високого класу чистоти через наявність по-різному орієнтованих зерен і міжзеренних границь, що мають більш низьку твердість, чим зерна. Різна швидкість зносу мікроділянок приводить до підвищення коефіцієнта тертя пари і зносу відповідної деталі. Шорсткувата поверхня, що є придатною для звичайних внутрішньокісткових імплантатів, не підходить для пар тертя. Підвищується імовірність прикріплення органічних молекул на таку поверхню, що ще більш погіршує роботу пари тертя.

В цих умовах дуже перспективним представляється застосування сапфіра у вузлах тертя ендопротезів, підкладок і інших елементів. Задача визначення трибологічних властивостей, що забезпечують необхідні експлуатаційні характеристики для зносостійких виробів, є актуальною для подальшого розширення сфери застосування сапфіра.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота була виконана в Інституті монокристалів НТК “Інститут монокристалів” НАНУ відповідно до планів науково-дослідних робіт і технологічних розробок наступних тем і проектів: НДР № 0198U004255 (“Штандарт”) “Дослідження процесу росстехіометрії кристалічної матриці монокристалів корунду з метою розробки основ технології, спрямованої на поліпшення механічних властивостей монокристалів медичного застосування” (1997–1999 рр.); НДР №2М/136-2000 (“Штамп”) “Розробка методики термохімічної обробки кристалів”(2000–2001рр.); НДР № 0100U002617 (“Штандарт 2”) “Дослідження по створенню сапфір/рубінових та сапфір/сапфірових пара тертя” (2000–2002рр.); проект УНТЦ № 1913 “Розробка тазостегнового суглобу із сапфіру”(2002–2004рр.); НДР № ДНТ П/391–2003 (“Шанс”) “Створення, виробництво та клінічне використання нового вітчизняного штучного кульшового суглобу з сапфір/сапфіровою парою тертя в шарнірі” (2003–2006 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи була розробка фізико-технологічних основ одержання виробів з монокристалів корунду з високими експлуатаційними біомеханічними характеристиками.

Досягнення поставленої мети вимагало рішення наступних задач:

Ш проведення комплексного дослідження трибологічних властивостей монокристалів корунду в залежності від кристалографічних параметрів і особливостей вирощування, відпалу й обробки;

Ш всебічне вивчення можливості застосування монокристала корунду у вузлі тертя ендопротеза кульшового суглоба;

Ш визначення оптимальних фізико-механічних параметрів сапфірових елементів для виробів медичного застосування;

Ш розробка технологічної методики одержання еластичного нероз'ємного з'єднання сапфіра з несучою конструкцією.

Об'єктом дослідження був процес тертя пар з різними комбінаціями матеріалів елементів пари.

Предметом дослідження були трибологічні властивості пар тертя із монокристалів корунду з різною кристалографічною орієнтацією контактуючих площин і технологія виготовлення ендопротеза кульшового суглоба з використанням сапфіра у вузлі тертя.

У роботі було застосовано такі методи дослідження:

Ш метод рентгеноструктурного аналізу для визначення орієнтації кристалів;

Ш метод виміру швидкості зносу кристалів за допомогою абразиву, для одержання інформації про характер структурної досконалості кристалів, продуктивності процесу їхньої механічної обробки й опору матеріала руйнуванню;

Ш метод виміру тертя ковзання, що здійснювався на трибометрі УТИ за схемою “диск по диску” з приложенням навантаження перпендикулярно торцевій поверхні контактуючих дисків;

Ш метод контролю шорсткості поверхні кристалів за допомогою профілометра;

Ш метод виміру крайового кута “лежачої” краплі для дослідження змочування різних кристалографічних площин сапфіра;

Ш метод визначення межі міцності при чотириточковому згинанні відповідно до європейського стандарту EN 843–1:1995 за схемою Four-point-1/4-point flexure;

Ш метод осьового розтягання стикового адгезивного з'єднання, стандарт ASTM 816-82, для оцінки якості адгезивного з'єднання;

Ш метод осьового обертання адгезивного з'єднання, стандарт ASTM D 3658-78, для оцінки здвигної міцності адгезивного з'єднання на провертання.

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі виконання дисертаційної роботи були вперше отримані такі результати:

1. Експериментально доведено, що знос сапфіра залежить від кристалографії виробів при обробці як вільним, так і закріпленим абразивом. При обробці вільним абразивом відмінність у зносі площин складає 1,7…2,1, при обробці закріпленим абразивом - 2,5…2,9 рази.

2. Експериментально встановлено що, варіюючи кристалографічну орієнтацію при підборі корундових пар тертя, можливе одержання достатньо низького і стабільного коефіцієнта тертя на рівні 0,13–0,17 в сполученні з високою зносостійкістю. Найбільш низькі значення коефіцієнта тертя отримані на парі (0001)/, у якої максимальна різниця в мікротвердості і ретикулярній щільності.

3. Встановлено залежність коефіцієнта тертя і працездатності пари тертя від заданого на стадії попередньої обробки рельєфу поверхні. Показано, що лінійний знос пари сапфір/поліетилен з заглибленнями знижується, у порівнянні з аналогічною парою без заглиблень, на 26–30% а коефіцієнт тертя зменшується на 19–25%.

4. Вивчено залежність кута змочування сапфіра водою і гліцерином від кристалографічної орієнтації. Показано, що кут змочування максимальний для площини (0001) як для води, так і для гліцерину. Мінімальне значення кута змочування водою спостерігалося в площинах і , для гліцерину - у площині .

5. Виявлено, що з пар тертя Co-Mo-Cr/поліетилен, кераміка/поліетилен, сапфір/поліетилен, по сукупності функціональних властивостей, перевагою володіє пара сапфір/поліетилен.

Практичне значення отриманих результатів. Найбільше значення з практичної точки зору мають такі результати дисертаційної роботи:

1. Розроблена методика одержання адгезивного еластичного з'єднання титан-сапфір за допомогою надвисокомолекулярного поліетилену (НВМПЕ) марки CESTILENE HD 1000.

2. Установлений зв'язок відхилення від сферичності при виготовленні прецизійних сапфірових куль із кристалографічними параметрами корунду, що дозволило одержати сапфірову голівку з відхиленням від сферичності 1мкм.

3. Розроблена конструкція ендопротезу кульшового суглоба з підвищеною функціональною надійністю, завдяки міцності з'єднання сферичної голівки і шийки ніжки ендопротеза, що запобігає відносне провертання.

4. На основі отриманих результатів розроблені і клінічно випробувані з позитивним результатом ендопротези кульшового суглоба із сапфіровою голівкою, що відрізняється високими антифрикційними властивостями і високою біоінертністю.

Особистий внесок здобувача. У роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача складається в такому: дослідження зносостійкості кристалографічних площин сапфіра при механічних навантаженнях; дослідження міцності монокристалів корунду методом чотириточкового згинання [1,2]; розробка і виготовлення адгезивного еластичного з'єднання титан-сапфір за допомогою поліетилену 7. Разом з співавторами і з науковим керівником проводилися обговорення й інтерпретація отриманих результатів по коефіцієнтам тертя, змочуванні різних кристалографічних площин сапфіра, впливу відпалу на механічні характеристики сапфіра [2–5]. У ході спільних дискусій були висунуті ідеї по створенню й оптимізації процесу одержання ендопротезу кульшового суглоба із сапфіровою голівкою [5–8].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: Відкритій всеукраїнській конференції молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства” (Харків, Україна, 2003); Українській науково-практичній конференції з міжнародною участю “Тотальне ендопротезування кульшового суглоба” (Львів, Україна, 2003); Другій міжнародній конференції по фізиці кристалів “Кристалофізика 21-го століття”, присвяченої пам'яті М.П. Шаскольскої (Москва, Росія, 2003); Міжнародній науково-технічній конференції “Технологія і застосування вогнетривів і технологічної кераміки в промисловості” (Харків, Україна, 2005); International Conference “Crystal Materials'2005” (Kharkov, Ukraine, 2005); International Conference “Functional Materials” (Partenit, Crimea, Ukraine, 2005); Щорічній конференції-конкурсі студентів та молодих вчених НТК “Інститут монокристалів” (Харків, Україна, 2003,2004,2005).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 12 роботах, з них 4 – у наукових фахових журналах, 3 – у патентах на винаходи, 4 – у матеріалах і тезах конференцій.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 106 найменувань і трьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 125 сторінок у тому числі 50 рисунків та 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, наведено відомості щодо апробації роботи та публікацій, в яких висвітлено основні результати дисертації.

Перший розділ дисертаційної роботи носить оглядовий характер. У ньому висвітлено відомі механічні характеристики монокристалів корунду. Показано, що анізотропія властивостей сапфіра виявляється при виготовленні виробів на всіх стадіях механічної обробки, а також при експлуатації виробів. Аналіз літературних джерел свідчить про недостатню вивченість трибологічних властивостей монокристалів корунду. Зокрема немає відомостей про знос і коефіцієнт тертя кристалографічних площин сапфіра, що найбільш часто зустрічаються на практиці, при механічних навантаженнях. Показано, що комплексним параметром, який характеризує структурну досконалість кристалів, продуктивність процесу їхньої механічної обробки й опір матеріала руйнуванню, є його зносостійкість.

У розділі також представлено огляд основних конструкцій виробів з вузлами тертя медичного застосування. При ендопротезуванні кульшового суглоба пари тертя метал/поліетилен і кераміка/поліетилен є найбільш розповсюдженими. Однак вони мають високий коефіцієнт тертя, що приводить до підвищеного зносу ендопротезу. Попадання продуктів зносу в м'які тканини приводить до таких негативних наслідків як запальні реакції, металоз, кісткова резорбція, утворення кісти та інше. Показано, що жоден із застосовуваних у даний час у ендопротезуванні матеріалів: титан, кобальтохромомолібденові сплави, кераміка, надвисокомолекулярний поліетилен і ін.— не має досить повної біологічної інертності і необхідних трибологічних властивостей.

У другому розділі дисертації представлений комплекс досліджень трибологічних властивостей сапфіра з урахуванням природи атомних зв'язків кристалографічних площин, електронної структури й енергетики площин. Також було враховано особливості деформації кристалів корунду, зв'язані з площинами ковзання і двійникування. У якості основних функціональних параметрів пари тертя були обрані знос і коефіцієнт тертя кристалографічних площин сапфіра, що найбільш часто зустрічаються на практиці, при заданих механічних навантаженнях.

Для вивчення швидкості зносу, зразки з кристалічною орієнтацією площин: (0001), , , обробляли вільним та закріпленим абразивом. В ході експерименту було встановлено, що знос сапфіра істотно залежить від кристалографії контактуючих площин. При обробці вільним абразивом відмінність у зносі складає 1,7...2,1 рази, при обробці закріпленим абразивом - 2,5...2,9 рази. Мінімальна швидкість зносу спостерігається в площині (0001) при будь-якому виді обробки. Максимальна швидкість зносу: закріпленим абразивом у площині ; вільним абразивом — у площині .

Істотні розходження, що спостерігаються, у швидкості зносу, очевидно, обумовлені впливом режиму шліфування на механізм відколоутворення, що у свою чергу залежить від кристалографічної орієнтації. При обробці вільним абразивом швидкість зносу корелює з величиною, зворотною ретикулярній щільності атомів досліджуваних площин і величиною, зворотною числу вільних зв'язків на одиницю поверхні.

Об'єктом вивчення коефіцієнта тертя служили комбінації матеріалів і кристалографічних орієнтацій контактуючих площин елементів пари. Тертя ковзання вивчалося на трибометрі за схемою “диск по диску” з приложенням навантаження перпендикулярно торцевій поверхні контактуючих дисків. Встановлено залежність коефіцієнту тертя від кристалографії сапфіра. Найбільш низькі значення коефіцієнта тертя отримані на парі (0001)/, у якої максимальна різниця в мікротвердості і ретикулярній щільності. Так, для площини (0001) число вільних зв'язків на одиницю поверхні складає 6,6; а мікротвердість – 1940 кг/мм2, а для площини – 4,8 і 2315 кг/мм2, відповідно.

Іспити в середовищі, що імітує вплив синовіальної рідини, показали, що коефіцієнт тертя пари сапфір/сапфір орієнтацій (0001)/ знижується майже в 2 рази в порівнянні з коефіцієнтом тертя цієї пари при сухому терті.

Ефективність застосування сапфіра в хімічній технології і в медичних імплантатах залежить, крім інших факторів, від ступеня змочування поверхні контактуючими рідкими субстанціями. Методом виміру крайового кута краплі, що находиться в стані спокою (Q0), за допомогою оптичного мікроскопа, досліджували змочуваність чистого сапфіра водою і гліцерином на площинах із кристалографічною орієнтацією (0001); ; ; . Визначено залежність змочування сапфіра водою і гліцерином від кристалографічної орієнтації. Кут змочування максимальний для площини (0001) як для води, так і для гліцерину. Мінімальне значення кута змочування водою спостерігається в площинах і , для гліцерину - у площині . Установлено зв'язок між змочуваністю водою основних кристалографічних площин сапфіра і швидкістю зносу цих площин при шліфуванні вільним абразивом з використанням води.

Третій розділ дисертації присвячений вивченню впливу таких технологічних факторів як середовище відпалу, механічна обробка на величини, що характеризують зносостійкість матеріалу, його міцність, а також коефіцієнт тертя.

Вплив окислювально-відновного потенціалу середовища відпалу на зносостійкість сапфіра досліджували на зразках, виготовлених із кристалів, вирощених методом Степанова. Досліджували площину (0001). Зразки відпалювались в одному із середовищ: окисному, нейтральному, з вмістом вуглецю чи у водні. Потім зразки оброблялися вільним чи закріпленим абразивом. Окислювально-відновний потенціал середовища відпалу може змінити зносостійкість лейкосапфіру в 1,2 рази. Менший знос спостерігається після відпалу у водні, порівняно більший знос після відпалу в нейтральному середовищі. Ці співвідношення справедливі як для вільного, так і для закріпленого абразиву. Розходження у швидкості зносу зразків, відпалених у різних середовищах, зв'язано, очевидно, зі зміною щільності точкових дефектів при відпалі. При відпалі у водні підвищення зносостійкості викликане, скоріш за все, насиченням кристала атомами водню і збільшенням енергії решітки корунду через утворення деякої частки водневих зв'язків.

Визначення межі міцності при чотириточковому згинанні проводилося відповідно до європейського стандарту EN 843–1:1995 за схемою Four-point-1/4-point flexure. Досліджувалися бруски зі шліфованими і полірованими поверхнями. На першій стадії всі зразки з метою релаксації внутрішніх напружень і рекристалізації дефектного приповерхневого шару відпалювались у вакуумі. Міцність шліфованих зразків, що пройшли такий відпал, збільшилася на 25–42 % у порівнянні з вихідним станом. Найбільший вплив на збільшення міцності мають послідовні відпали у вакуумі та водні. Такий режим дозволяє збільшити міцність сапфіра при згинанні на 60–70 %. Також вагомий вплив на міцність має стан поверхні. Межа міцності полірованих зразків після відпалу у водні на 62–78% вище, ніж відповідних шліфованих, і на 41–64 % вище вхідних зразків. Це пов'язано з мінімізацією дефектного приповерхневого шару в процесі полірування зразків і, відповідно, зменшенням концентраторів мікротріщин, що у процесі навантаження зразка служать джерелами утворення тріщин зламу.

При дослідженні лінії зламу виявлено, що зразки, в основному, сколюються по площинах {10 1} і {01 2}. У випадку відколоутворення по площині {101} тріщини поширюються по площинах двійникування, що спостерігається переважно при найвищих швидкостях деформування, що відповідає умовам деформації при згинанні сапфірового зразка.

Трибологічні властивості сапфіра залежать від рельєфу поверхні. Дослідження проводилися стосовно до ендопротезу кульшового суглоба, тому парою тертя було обрано пару — поліетилен/сапфір. При використанні поліетилену в якості одного з елементів пари тертя виникають ускладнення, викликані появою часток зносу поліетилену розміром 0,5-5 мкм. При використанні сапфір/поліетиленової пари, завдання полягає в мінімізації наслідків зносу поліетилена. Рішенням проблеми є виконання на поверхні сапфіра, на попередніх стадіях обробки заглиблень, що служили своєрідними кишенями для накопичення продуктів зносу поліетилену, крім того, вони сприяли утриманню рідини в області тертя, що у свою чергу знижувало коефіцієнт тертя. При порівнянні пар тертя сапфір/поліетилен у рідкому середовищі з різним рельєфом поверхні сапфірового зразка, було встановлено, що пари з заглибленнями мають більш низький коефіцієнт тертя. Зміна коефіцієнта тертя в залежності від рельєфу обробленої поверхні складає 19–25% і не залежить від кількості циклів іспитів. На підставі цих результатів була виготовлена експериментальна сапфірова голівка кульшового суглоба з заглибленнями-кишенями.

Рис.2. Залежність коефіцієнта тертя пари сапфір-поліетилен від кількості Четвертий розділ дисертації присвячений розробці ендопротезу кульшового суглобу з використанням сапфіру в парі тертя.

В сучасному ендопротезуванні суглобів стандартними матеріалами є сплави на основі Co, кераміки на основі Al2O3, застосовувані в сполученні з високомолекулярним поліетиленом. Тертя ковзання пар Co-Mo-Cr/поліетилен, кераміка/поліетилен, сапфір/поліетилен вивчалося на трибометрі УТИ за схемою “диск по диску” з приложенням навантаження перпендикулярно торцевій поверхні контактуючих дисків. Умови фрикційної взаємодії були обрані з урахуванням моделювання параметрів тертя елементів реальних суглобів (навантаження, швидкість ковзання). При використанні сапфіра в якості одного з елементів пари тертя, динаміка зміни коефіцієнта тертя аналогічна тій, що спостерігається для пари тертя Co-Mo-Cr/поліетилен. Для пари сапфір/поліетилен також відбувається поступове збільшення коефіцієнта тертя до 0,05 і його стабілізація на цьому рівні (рис.3). Однак після припрацювання мінімальний коефіцієнт тертя спостерігається для пари сапфір/поліетилен. Крім того, сапфір/поліетиленова пара має більшу біоінертність, корозійну стійкість і більш високий ступень механічної зносостійкості. Тому саме вона є найбільш перспективною для використання в ендопротезуванні суглобів.

До робочих поверхонь пар тертя ендопротезів кульшового суглоба пред'являються високі вимоги по точності виготовлення, якості обробленої поверхні (оброблена поверхня повинна відповідати вимогам ISO 3290), несферичності, а також ресурсу, що визначається фізико-механічними характеристиками матеріалів пари тертя і станом поверхні. Для визначення впливу анізотропії механічних властивостей сапфіра, зокрема анізотропії швидкості стирання, на точність виготовлення сфери вимірювали величину відхилення від сферичності при формоутворення прецизійних куль. Установлено зв'язок відхилення від сферичності при виготовленні сапфірових куль із кристалографічними параметрами корунду. Для формування поверхні сапфірової голівки кульшового суглоба з найменшими відхиленнями від сферичності, вісь С заготовки повинна бути суміщена з віссю отвору.

З метою одержання імплантату компенсаційного типу, розроблено адгезивне з'єднання сапфір/поліетилен/титан з високими демпферними, адгезивними і механічними характеристиками. Також розроблено конструкцію ендопротеза кульшового суглоба з заданим рельєфом поверхонь елементів. Конструкція дозволяє збільшити здвигну міцність на провертання адгезивного з'єднання на 40%, що підвищує експлуатаційну надійність ендопротеза.

Так як в процесі експлуатації кульшовий суглоб піддається високим експлуатаційним навантаженням (голівка стегна може навантажуватися до 2600 Н при опорі на одну ногу), були визначені руйнівні навантаження на сапфірову голівку. Проведені іспити під навантаженням підтвердили наявність необхідного запасу міцності ендопротезу із сапфіровою голівкою. Було визначено, що

Однакміцність сапфірової голівки істотно залежить від кристалографічної орієнтації. Для досягнення максимальної міцності з'єднання чашка/голівка/поліетилен/шийка при виготовленні сапфірової сфери необхідно вісь С монокристалічної головки сполучати з віссю отвору.

Для дослідження зносу ендопротезу кульшового суглоба з використанням сапфір-поліетиленової пари тертя виготовлено стенд, що імітує кінематику експлуатації ендопротеза. Втрати у вазі сапфірової голівки не спостерігалося. Зношувалася тільки поліетиленова чашка. Виходячи з параметрів зносу пари, обчислені параметри прогнозованого зносу сапфір-поліетиленової пари. Встановлено, що точність виготовлення сапфірової голівки впливає на ступінь зносу ендопротеза. Мінімальний знос поліетиленової ацетабулярної чашки спостерігався в пари з відхиленням від сферичності сапфірової сфери 1мкм.

З огляду на отримані результати, була розроблена і виготовлена партія ендопротезів із сапфіровою голівкою, що відповідають усім вимогам по ендопротезуванню. В Інституті патології хребта і суглобів імені проф. М.И. Сітенка були успішно проведені операції по ендопротезуванню цього суглоба. Клінічні дослідження показали, що нова конструкція ендопротеза із сапфіровою голівкою має переваги перед існуючими конструкціями, завдяки міцності голівки, її більшій сферичності і більш високому ступеню полірування, біологічній інертності і низькому коефіцієнту тертя.

ВИСНОВКИ

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 тертя від 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.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Voloshin A.V., Lytvynov L.A. Effect of sapphire crystal structure peculiarities on attrition wear// Functional materials.– 2002.–Vol.9,№3.– P.554-555.

2. 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.

3. 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.

4. Voloshin A.V., Kononenko V.I., Lytvynov L.A., Sevidova E.K. Wetting of sapphire// Functional Materials.– 2006.–Vol.13,№1.–P.66–69.

5. Деклараційний патент 65197 Україна, 7А61F2/32. Ендопротез кульшового суглобу. Корж М.О., Філіпенко В.А., Радченко В.О., Литвинов Л.А., Тимченко І.Б., Голухова А.Г., Севідова О.К., Волошин О.В., Кононенко В.І.– №2003065517/21; Заявлено 13.06.2003; Опубл. 15.03.2004, Бюл. №3.–3с.

6. Патент 65198 Україна, 7А61F2/32. Ендопротез кульшового суглобу. Корж М.О., Філіпенко В.А., Радченко В.О., Литвинов Л.А., Тимченко І.Б., Голухова А.Г., Танькут В.О., Волошин О.В., Танькут О.В.– №2003065518/21; Заявлено 13.06.2003; Опубл. 15.09.2005, Бюл. №9.–2с.

7. Заявка на патент №а 200509508 від 10.10.2005. Ендопротез кульшового суглобу. Корж М.О., Філіпенко В.А., Радченко В.О., Литвинов Л.А., Тимченко І.Б., Голухова А.Г., Танькут В.О., Волошин О.В., Танькут О.В., Слюнін Є.В.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

Анотація

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.

Ключові слова: сапфір, анізотропія, кристалічна решітка, трибологічні властивості, коефіцієнт тертя, зносостійкість, ендопротез.

Аннотация

Волошин А.В. Модификация трибологических свойств монокристаллов корунда для изделий медицинского и технического применения.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 — материаловедение.– Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена исследованию трибологических свойств монокристаллов корунда в зависимости от кристаллографических параметров и особенностей выращивания, отжига и обработки.

Установлено, что износ сапфира существенно зависит от кристаллографической ориентации плоскости контакта. При обработке свободным абразивом отличие в износе составляет 1,7–2,1, при обработке закрепленным абразивом - 2,5–2,9 раза. Минимальная скорость истирания наблюдается в плоскости (0001) при любом виде обработки. Максимальная скорость истирания: для закрепленного абразива — в плоскости, параллельной плоскости ; для свободного абразива — в плоскости . Наблюдаемые существенные различия обусловлены влиянием режима шлифования на механизм сколообразования, который в свою очередь напрямую зависит от кристаллографической ориентации. При истирании свободным абразивом скорость износа коррелирует с величиной, обратной ретикулярной плотности атомов исследуемых плоскостей и величиной, обратной числу свободных связей на единицу поверхности. Механизм шлифования связанным абразивом несколько отличается. Быстро движущееся и жестко закрепленное в инструменте абразивное зерно при врезании в сапфир образует густую сеть микротрещин. Развитие трещин в свою очередь зависит от спайности и двойникования кристалла. Кроме того, для разрушения сапфира абразивным зерном по плоскости требуется меньшая плотность энергии (6 Дж/м2), чем для разрушения по базисной плоскости (40 Дж/м2).

В работе приведены результаты исследования трибологических свойств пар трения из монокристаллических корундов с различными комбинациями материалов элементов пары и с различной кристаллографической ориентацией контактирующих плоскостей. Показано, что при определенной кристаллографической ориентации контактирующих плоскостей монокристаллические пары трения могут иметь достаточно низкий и стабильный коэффициент трения, а также высокую износостойкость. Несмотря на различие в значениях коэффициента трения все исследованные пары из сапфира имеют высокую износостойкость. Визуально не удавалось идентифицировать след износа. С помощью профилометра его обнаруживали только по незначительному изменению шероховатости. Наиболее низкие значения коэффициента трения получены на паре (0001)/, у которой максимальная разница в микротвердости и ретикулярной плотности атомов. Испытания в жидкой среде показали, что коэффициент трения пары (0001)/ снижается почти в 2 раза по сравнению с коэффициентом трения этой пары при сухом трении.

Эффективность применения сапфира в химической технологии и в качестве медицинских имплантатов, кроме прочих факторов, зависит от степени смачиваемости поверхности контактирующими жидкими субстанциями. Поэтому было исследовано влияние анизотропии решетки на смачиваемость поверхности. Угол смачивания максимальный для плоскости (0001). Минимальное значение угла смачивания водой наблюдается в плоскостях и , для глицерина - в плоскости , что связано с разной поверхностной энергией данных плоскостей, которые, соответственно, по-разному взаимодействуют с молекулами полярной (дистиллированная вода) и неполярной (глицерин) жидкостей.

Высокотемпературный отжиг в различных средах, определяя стехиометрический состав, влияет на механические характеристики монокристаллов корунда, изменяя износостойкость при истирании и прочность. Установлено, что отжиг в атмосфере водорода максимально повышает износостойкость лейкосапфира, что связано с насыщением кристалла атомами водорода и увеличением предела прочности корунда из-за образования некоторой доли водородных связей. Показано, что наибольшее влияние на увеличение прочности оказывает процесс последовательных отжигов в вакууме и в водороде. Существенное влияние на прочность оказывает также состояние поверхности. Установлено, что предел прочности полированных образцов в 1,6 раз выше, чем соответствующих шлифованных.

Установлена зависимость коэффициента трения и работоспособности пары трения от заданного на стадии предварительной обработки рельефа поверхности. Линейный износ пары сапфир-полиэтилен с углублениями снижается на 26–30 %, коэффициент трения уменьшается на 19–25%.

Всесторонне исследована возможность применения монокристаллов корунда в узле трения эндопротеза тазобедренного сустава. Экспериментально доказано, что из пар трения Co-Mo-Cr/полиэтилен, керамика/полиэтилен, сапфир/полиэтилен, по совокупности функциональных свойств преимуществом обладает пара сапфир/полиэтилен.

Определены оптимальные физико-механические параметры сапфировых элементов для изделий медицинского применения. Показано влияние анизотропии кристаллической решетки сапфира на прочность и точность изготовления (несферичность) эндопротеза с сапфировой головкой. Для надежного крепления монокристаллического элемента к несущей конструкции разработана технологическая методика получения эластичного неразъемного соединения сапфира с титановой ножкой с высокими демпферными характеристиками. Разработаны и клинически испытаны с положительным результатом эндопротезы тазобедренного сустава с сапфировой головкой.

Ключевые слова: сапфир, анизотропия, кристаллическая решетка, трибологические свойства, коэффициент трения, износостойкость, отжиг, эндопротез.

Abstract

Voloshin A.V. Modification of the tribological properties of corundum single crystals for articles applied in medicine and engineering.– Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.02.01 – Material sciences. – Institute for Single Crystals of NAS of Ukraine, Kharkov, 2006.

The thesis is devoted to the investigation of the tribological properties of corundum single crystals (sapphires) depending on their crystallographic parameters and peculiarities of the processes of growth, annealing and treatment.

Reported are investigations of the tribological properties of friction pairs made from sapphires combined with different materials and different crystallographic orientation of the contacting planes. It is shown that for certain crystallographic orientation of the contacting planes the crystalline friction pairs may have sufficiently low and stable friction coefficient as well as high wear resistance. Established is the dependence of the friction coefficient and serviceability of the friction pair on the surface relief preset at the stage of preliminary treatment. One of the factors which define effectiveness of the use of sapphire meant for chemical technology and medicinal implants is the degree of wettability of the surface by contacting liquid substances. Therefore the influence of the crystal lattice anisotropy on wettability of the surface is investigated.

Comprehensively studied is the possibility to use sapphires in the friction units of hip endoprosthesis. It is experimentally shown that among Co-Mo-Cr/polyethylene, ceramics/polyethylene, sapphire/polyethylene friction pairs the latter pair has an advantage over the others in the set of its functional properties.

Optimum physical and mechanical parameters of sapphire elements for medical applications are established. Shown is the influence of the anisotropy of sapphire crystal lattice on the strength of endoprostheses with sapphire head and precision (non-sphericity) of their manufacture. For safe fixation of the crystalline elements on the load-carrying structure, developed is a technique for the obtaining of elastic one-piece joint of sapphire with titanium foothold possessing high damping characteristics.

Keywords: sapphire, crystal lattice, anisotropy, tribological properties, friction coefficient, wear resistance, endoprosthesis.