Введение
Титан — элемент 4 группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C.[1]
Вид и параметры прямой и обратной решеток α-Ti приведены на рис.1 и 2 соответственно.
Рисунок 1. Прямая решетка α-Ti
Параметры прямой решетки: a=2,951 Å, с=4,697 Å.
|a1|=|a2|=a; |a3|=c
Рисунок 2. Обратная решетка α-Ti
Параметры обратной решетки: |b1|=|b2|=4π/√3*a |b3|=2π/c
Поверхность Ферми — поверхность постоянной энергии в k-пространстве, равной энергии Ферми в металлах или вырожденных полупроводниках. Знание формы поверхности Ферми играет важную роль во всей физике металлов и вырожденных полупроводников, так как благодаря вырожденности электронного газа транспортные свойства его, такие как проводимость, магнетосопротивление зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми. Поверхность Ферми разделяет заполненные состояния от пустых при абсолютном нуле температур.
Поверхность Ферми не является реальной поверхностью, а лишь наглядной иллюстрацией поведения электронов в металлах. Картины поверхностей Ферми объясняют такие свойства металлов, как блеск, ковкость, электропроводимость и теплопроводность. Собственно металл можно определить как твердое тело, обладающее поверхностью Ферми.
Рисунок 3. Поверхности Ферми α-Ti
Зона Бриллюэна — ячейка обратной решетки кристалла, содержащая все трансляционно-неэквивалентные точки. Поскольку состояния квазичастиц твёрдого тела, в которых значения квазиимпульсов р отличаются на один из векторов трансляции обратной решётки, являются эквивалентными, то ячейка Вигнера-Зейтца. выделяет в пространстве квазиимпульсов области, включающие в себя все неэквивалентные значения квазиимпульсов р, характеризующие состояние квазичастиц.[2]
Поверхность Ферми приведена на рисунке 3, зона Бриллюэна α-Ti приведены на рисунке 4.
Рисунок 4. Зоны Бриллюэна α-Ti
Поверхность Ферми α-Ti — сложная структура, содержащая по четыре уровня в каждой ячейке (рисунок 3). В зоне Бриллюэна α-Ti красной центральной области соответствует первая зона Бриллюэна (рисунок 4).
При изменении размеров зерна меняются и свойства материала. Сравнительные характеристики α-Ti в микроструктуре и в наноструктуре приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики α-Ti в микроструктуре и в наноструктуре
|
Свойства |
Микроструктура |
Наноструктура (80 нм ) |
|
Плотность |
4,540 г/см3 |
4.506 г/см3 |
|
Температура плавления |
1941 K |
1933 K |
|
Температура кипения |
3560 K |
3560 K |
|
Микротвердость |
1700 МПа |
3300 МПа |
|
Предел текучести |
270 МПа |
1100 МПа |
|
Предел прочности |
400 МПа |
1160 МПа |
|
Пластичность при растяжении |
23 % |
6% |
По сравнению с микроструктурным титаном плотность, температура плавления и температура кипения наноструктурного титана изменяются мало (таблица 1). А пластичность при растяжении, предел текучести и прочности нанотитана изменяются. Изменение механических свойств титана связано с влиянием классических размерных эффектов. Квантовые эффекты не влияют на изменение свойств титана, поскольку длина волны де Бройля для металлов находится в интервале от 0.1 нм до 1.0 нм. [3]
Получение наноструктурного титана
Существует несколько вариантов получения наноструктурного титана, однако, самой распространенной является технология получения наноструктурного титана, включающая в себя деформационную обработку исходной заготовки технически чистого титана методом интенсивной пластической деформации, состоящей из многократного одноосного прессования в пресс-форме, многоходовой прокатки и низкотемпературного отжига.[4]
Сочетание пластической деформации и нагрева способствует дальнейшей эволюции полученной после прессования структуры: трансформации субзеренных границ в зеренные, формированию новых зерен, снижению плотности дислокаций за счет одновременно протекающих процессов возврата и динамической рекристаллизации. Таким образом, в результате комбинированной обработки в технически чистом титане формируется нанокристаллическая структура, в которой до 90% составляют зерна со средним размером 100 нм.
Полученный материал имеет повышенную прочность, усталостную долговечность и биосовместимость, повышение механических свойств титана.[5]
Применение нанотитана
Основными областями применения разработанной опытно-промышленной технологии могут быть медицина, ортопедия, травматология, стоматология. И нанотитан, это сверхпрочный материал для имплантатов.[6]
Результатом стала разработка технологии получения сверхпрочного материала – нанотитана. Исходным материалом служит чистый титан, его сильно деформируют под высоким давлением при относительно небольшом нагреве. Этот процесс основывается на так называемом методе интенсивной пластической деформации. Зарубежные коллеги тоже научились получать нанотитан, но их образцы микроскопических размеров. В уфимских же лабораториях так называемые «прутки» достигают длины в несколько метров. А из такого «сырья» можно делать, например, имплантаты.В медицине и сейчас применяют конструкции из сплавов титана, но имплантаты из нанотитана в два раза прочнее и биологически совместимы с организмом человека – они не вызывают реакции отторжения и аллергии. Помимо этого наноимплантаты значительно легче и изящнее конструкций, которые сегодня использует медицина.Такой имплантат не нуждается в замене, к тому же с ним человек сохраняет дееспособность.[7]