Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

Сравнительные характеристики альфа титана в микро- и наноструктурах

Чан В.Т. 1 Чан С.-. 1 Фомин М.Г. 1
1 Национальный Исследовательский Томский политехнический университет
В настоящее время титан, как один из современных материалов, имеет отличительные физико-химические свойства: высокую плотность, прочность и устойчивость к коррозии. Благодаря этим свойствам титан широко используется в различных областях науки и техники. Как известно, наноструктурный титан обладает специфическими свойствами, поэтому он представляет особый практический интерес. В данной работе рассмотрены свойства альфа модификации титана в микро- и наноструктуре, приведены: параметры прямой и обратной решеток, поверхность Ферми и зона Бриллюэна для данной модификации. Кроме того, представлены таблица сравнительных характеристик альфа титана в микро- и наноструктуре. Рассмотрены технологии получения наноструктурного альфа титана, такие как: посредством барабанной мельницы и прокатки. Приведены примеры применения в промышленной и медицинской областях.
классический размерный эффект
зона Бриллюэна
поверхность Ферми
обратная решетка
прямая решетка
альфа титан
наноструктура
1. Флоридский Университет[Электронный ресурс]. Доступ: http://www.phys.ufl.edu/fermisurface/html/Z022.html
2. Кембриджский Университет . Департамент высшей математики и теоретической физики [Электронный ресурс]. Доступ: http://www.damtp.cam.ac.uk/user/rrh/notes/bzpics.pdf
3. American Elements. Производственное материаловедение [Электронный ресурс]. Доступ: https://www.americanelements.com/titanium-nanoparticles-7440-32-6
4. Zhernakov, V. S. The developing of nanostructured SPD Ti for structural use / V. S. Zhernakov, V. V. Latysh, V. V. Stolyarov, A. I. Zharikov, R. Z. Valiev // Scripta Materialia. – 2001. – 44. – Р. 1771.
5. Дьяконов Г. С., Жеребцов С. В., Салищев Г. А. Эволюция микроструктуры титана ВТ1-0 в ходе комнатной и криогенной прокатки //Вестник Нижегородского университета им. НИ Лобачевского. – 2013. – №. 2-2.Корпорация ВСМПО
6. Институт Физики Прочности и Материаловедения [Электронный ресурс]. Доступ: http://www.ispms.ru/ru/production/42/
7. Научно-образовательный и инновационный центр «Наноструктурные материалы и нанотехнологии»[Электронный ресурс]. Доступ: http://nano.bsu.edu.ru/nanotitan
8. Павлова Л. А. и др. Морфологический анализ костного дефекта при использовании импланта титана, обработанного пескоструйным методом с различными композитными покрытиями в динамике первого месяца регенерации //Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Медицина. Фармация. – 2010. – Т. 4. – №. 9.
9. Каюмов Ф. И. Клинико-экспериментальное обоснование применения дентальных имплантатов из наноструктурного титана //Медицинский вестник Башкортостана. – 2012. – Т. 7. – №. 1.
10. Валиев Р. З. и др. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработки и перспективы коммерциализации //Российские нанотехнологии. – 2008. – Т. 3. – №. 9-10. – С. 80-89

Введение

         Титан – уникальный по своим свойствам металл. Благодаря удивительным свойствам его называют металлом будущего. Титан в основном существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой. Объектом исследования в данной работе является α-Ti, который является основным компонентом во многих марках технического титана и его сплавах.

Свойство α-Ti в микро- и наноструктурах

            α-Ti обладает гексагональной  плотноупакованной структурой с параметрами решетки a=2,951 Å,  с=4,697 Å. Соответственно, отношение c/a составляет 1,587.

Картинки по запросу гпу решетка

Рисунок 1. Прямая решетка α-Ti

Векторы трансляций прямой решетки:

            Векторы трансляций обратной решетки определяется следующими формулами:

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Векторы трансляций прямой решетки (а) и обратной решетки (б)

         Таким образом, обратная решетка гексагональной структуры α-титан является гексагональной, повернутой на угол 30º относительно прямой решетки вокруг оси  Oz.

    

    Рисунок 3. Поверхности Ферми α-Ti [1]              Рисунок 4. Зоны Бриллюэна α-Ti [2]

         Как видно из рисунка 3, поверхность Ферми α-Ti представляет собой сложную геометрическую структуру, содержащую по четыре уровня на каждую элементарную ячейку. На рисунке 4, красная центральная область соответствует первой зоне Бриллюэна. 

Как следует из таблицы 1, значения плотности, температуры плавления и температуры кипения титана для зерен размером 80 нм практически не изменяются по сравнению с микроструктурами. Изменение механических свойств титана связано с влиянием классических размерных эффектов. Квантовые эффекты не влияют на изменение свойства титана, поскольку длина волны де Бройля находится в интервале от 0.1 нм до 1.0 нм.

 

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики α-Ti в микроструктурах и в наноструктурах [3, 4]

Свойства

Микроструктура

Наноструктура ( размер зерен 80 нм)

Плотность

4,540 г/см³

4.506 г/см³

Температура плавления

1668 °C

1660 °C

Температура кипения

3287 °C

3287 °C

Микротвердость

180 HV

285 HV

Предел текучести

380 МПа

915 Мпа

Предел прочности

460 МПа

1100 Мпа

Технология получения

Одним из распространенных методов получения наноструктурного титана является механосинтез. Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, т.е.  возникновение поля напряжений и его последующая релаксация только в момент соударения частиц и в короткое время после него. Механическое воздействие является также и локальным, так как происходит там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений.

http://bse.sci-lib.com/a_pictures/18/10/243730417.jpg

Рисунок 5. Барабанная мельница (шаровая): 1 – барабан; 2 – дробящие тела (шары); 3 – загрузка исходного материала; 4 – подшипники; 5 – разгрузка измельченного материала.

Благодаря импульсности и локальности в небольших областях материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в материале дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин. В результате происходит измельчение вещества.

Наиболее распространенными методами получения объемных наноструктурных материалов на основе больших деформаций являются: кручение под давлением, равноканальное угловое прессование, аккумулируемая прокатка, винтовая экструзия и мультиосевая деформация.

         В работе [5] была исследована эволюция микроструктуры технически чистого титана ВТ1-0 в ходе прокатки до 93% при 77 К и 293 К. В микроструктуре титана в исходном состоянии наблюдались равноосные зерна со средним размером 15 мкм.

         

Рисунок 5.  Микроструктура титана ВТ1-0 в исходном состоянии (a) и изменение среднего размера зерна d в титане с ростом степени деформации при комнатной (293 К) и криогенной (77 К) прокатке (b) [5].

         Прокатка титана ВТ1-0 на 93% приводит к формированию наноструктуры со средним размером зерна ~ 80 нм и 200 нм при 77 К и 293 К, предел прочности на растяжение составил 1180 МПа и 910 МПа, соответственно.

Применение титана

Рисунок 6 – Применение наноструктурного титана [4]: а) высокопрочные крепежные резьбовые изделия; б) пластины имплантаты для костного остеосинтеза; в) винты и устройство для коррекции позвоночника; г) хирургические инструменты

 
 


            Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

            В настоящее время использование титановых сплавов с наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства при статическом и циклическом нагружении, позволяет разработать новые конструкции имплантатов с улучшенными функциональными свойствами, областью применения которых, в основном, является медицина: ортопедия, травматология, стоматология и др. [6,7].

Рис 7 – Образование костной ткани в межтрабекулярном пространстве губчатой кости через 6 месяцев после имплантации титана.

 

 

 

 

 

 

 

 

Кроме того, нанотитан в полной мере соответствует требованиям биологической совместимости, а наносимые покрытия придают имплантату биоактивные свойства [8]. Титан не вызывает деструктивно-дегенеративных процессов костной ткани в послеоперационном периоде [9]. При изменении морфологии и состава оксида пленки значительно усиливаются протеиновое взаимодействие и последующая адгезия клеток, благодаря чему повышаются параметры остеоинтеграции наноструктурного титана [10].

 

 

Вывод

         Рассмотрены прямая и обратная решетки, поверхность Ферми и зоны Бриллюэна α-титана. Проведен сравнительный анализ свойств α-титана в микро- и наноструктурах. Показано, что основное влияние на резкие изменения механических свойства α-титана в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты.


Библиографическая ссылка

Чан В.Т., Чан С.-., Фомин М.Г. Сравнительные характеристики альфа титана в микро- и наноструктурах // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=16756 (дата обращения: 04.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074