Лекция 1. Материалы, их классификация и области применения

Раздел 2. Материаловедение

 

Лекция 1. Материалы, их классификация и области применения

Основные понятия о материалах, их строении, свойствах, термической обработке и областях применения. Исторический обзор применения материалов. Вклад отечественных ученых в развитие материаловедения.

 

План лекции:

1.Предмет материаловедения. Классификация материалов.

2. История материаловедения(хронология событий).

3. Современные керамические материалы

4. Современные биоматериалы

5. Дисперсные материалы

 

 

Предмет материаловедения.

 

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов.

  Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства.

  Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии - прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.).  Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

Исторически для техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.

Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие:

Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %, Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %, Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом для использования в технике является алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).

Классификация материалов

В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Технические материалы принято классифицировать по назначению:

материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения.

Детерминированный хаос

 

Движущие силы

0 – «абсолютный» хаос

I - обратимость

II - нелинейное поведение

III – бифуркации (>2 управляющих параметров)

IV – переход к детерминированному хаосу

Таким образом, подходы самоорганизации  и динамического хаоса позволяют:

• С единых позиций объяснить многие разрозненные наблюдения в области создания и функционирования материалов,

• Предложить принципиально новый путь получения материалов в форме ДС,

• Улучшить традиционную керамическую технологию,

• Дать рекомендации, облегчающие получение материалов с воспроизводимыми свойствами.

Предпочтительные реагенты

• Стехиометрические молекулярные соединения

• Неорганические комплексы

• Твердые растворы изоструктурных бинарных солей

((NH4)2SO4*MSO4*6H2O, M=Fe, Co, Ni, Mg, Mn, Zn, Cu)

• Криохимически гомогенизированные соли (а также

другие методы химической гомогенизации: RESS,

пиролиз аэрозолей, золь-гель...)

 

Современные биоматериалы

  Основная черта нового тысячелетия – возрастающий интерес к увеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокона, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам проф. Л. Хенча, революционный этап в развитии человечества: “Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в

области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное

применение специально спроектированных керамических материалов для

замены и лечения больных или поврежденных частей тела” [1]. Эту область

современного материаловедения именуют (не вполне, впрочем, справедливо)

биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства. В настоящее время рынок биокерамики имеет емкость ∼2.3 млрд.$, прогнозируемый годовой прирост составляет 7-12 %, объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн [1,2]. Число больных,

нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно

велико: для США эта цифра составляет 1 млн. человек и более ежегодно (из

них свыше 300 тыс. – протезирование тазобедренного и коленного суставов,

такой же порядок имеют зубные имплантаты). Динамика продвижения идеи на рынок биоматериалов имеет ряд особенностей, связанных с прохождением

длительных тестов и сертификаций, в силу этого обстоятельства лишь немногие из рассматриваемых ниже материалов могут считаться рекомендованными к применению. Текущее состояние рынка имплантатов может рассматриваться как ожидание массированного вторжения новых идей и материалов.

Биокерамика должно обладать определенными химическими свойствами

(отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми

жидкостями, отсутствие коррозии), механическими характеристиками

(прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению,

износостойкость), биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороны имунной системы, срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза). По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:

1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) – большинство металлов;

2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика на

основе Al₂O₃, ZrO₂;

3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла. Основной недостаток биоинертной керамики – низкая долговечность вследствие экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбции костной ткани, прилегающей к имплантату, и утрату последнего. Тем не менее, подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы, как заменители тазобедренного сустава. К наиболее ярким представителям биоактивных материалов относятся биостекла (наиболее используется состав "45S5": 24.5 % Na2O, 24.5 % CaO, 45.0% SiO2, 6% P2O5; варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) – Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (плотная и пористая керамика; ГАП-покрытия на металлических имплантатах; композиты ГАП–полимер, моделирующие, как, например, композит ГАП–коллаген, состав и структуру кости). К сожалению, невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяют создавать крупные нагружаемые имплантаты. Перспективы в области разработки биоматериалов связаны с развитием всего спектра имеющейся на сегодня биокерамики. Особый интерес представляют исследования, исповедающие “регенерационный” подход [1], в котором акцент делается не на замещение дефекта имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала и замену его костной тканью (т.е. на первое место у таких материалов выходят биологические свойства).

Т.о. биоматериалы необходимы для лечения, восстановления и замены:

• кожных покровов, мышечной ткани

• кровеносных сосудов

• нервных волокон

• костной ткани

– эндопротезы в травматологии и ортопедии

– стоматология (пломбировочные материалы),челюстно-лицевая хирургия

– медико-косметические средства (кремы, пасты)

За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для замены более 40 различных частей

человеческого тела.

Требования, предъявляемые к биоматериалам:

 

• химические свойства

– отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми

жидкостями

– отсутствие коррозии, или растворение с контролируемой скоростью

• механические свойства

– прочность

– трещиностойкость

– сопротивление замедленному разрушению(усталости)

– износостойкость

• биологические свойства

– отсутствие реакций со стороны иммунной системы (биосовместимость)

– срастание с костной тканью

– стимулирование остеосинтеза

Отклик организма на имплантат

Если материал токсичный – окружающие ткани отмирают

биоинертный – образуется соединительная

волокнистая ткань

биоактивный – образуется костная ткань

биорезорбируемый – происходит замена материала

костной тканью

 

Перспективны для применения в медицинских целях и углеродные материалы. Так, например, использование материалов на основе композитов туглеродных трубок с полимерами позволяет создавать биосовместимые имплантаты. Упругие модули углеродных материалов близки к костным, а в ходе in vitro тестов не наблюдается ухудшения прочностных свойств [2]. Другой перспективный "кандидат" на роль полного заменителя сустава - углеродный композит, армированный углеродными волокнами. Его механические свойства близки к характеристикам кости. В зависимости от микроструктуры материала, которая легко контролируется в широких пределах, получаю следующие значения энергии разрушения, упругих модулей, прочности на изгиб: 400-2900 Дж/м2, 10-72 ГПа, 100-450 МПа соответственно.

Эти механические параметры соответствуют материалам с размерами дефектов в несколько сот мкм (например, пор диаметром до 120 мкм). Углеродные материалы биосовместимы, более того, можно легко контролировать их резорбируемость. На сегодняшний день углеродные композиты – наиболее вероятные материалы, которые прейдут на замену Тi протезам.

Очень интересным и перспективным является так называемый "регенерационный подход". При этом используются различные материалы

(биодеградируемые полимеры, биоактивные стекла, композиты HAp/CaSO4,

Покрытие из НАр (b), на полимерных волокнах (a) в растворе-аналоге межтканевой жидкости костные клетки и протеины на носителях из HAp, CaSO4 и др.) для стимуляциии ускорения костной регенерации. Правда, данный подход применим лишь кзалечиванию малых дефектов.

Применение наноматериалов

• Катализ, преобразование солнечной энергии (TiO2)

• Сенсоры

• Нано-батареи и топливные ячейки

• Дисперсионное упрочнение/прочные материалы

• Магнитная томография (магнитные наночастицы -зонды), маркеры, минироботы, носители лекарств

• Магнитные жидкости

• Системы с перпендикулярной записью, электроника

• Фотоника

• Квантовые точки

• Молекулярные сита / клатраты

• Аэрогели

Раздел 2. Материаловедение

 

Лекция 1. Материалы, их классификация и области применения

Основные понятия о материалах, их строении, свойствах, термической обработке и областях применения. Исторический обзор применения материалов. Вклад отечественных ученых в развитие материаловедения.

 

План лекции:

1.Предмет материаловедения. Классификация материалов.

2. История материаловедения(хронология событий).

3. Современные керамические материалы

4. Современные биоматериалы

5. Дисперсные материалы

 

 

Предмет материаловедения.

 

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов.

  Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства.

  Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии - прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.).  Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

Исторически для техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.

Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие:

Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %, Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %, Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом для использования в технике является алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).

Классификация материалов

В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Технические материалы принято классифицировать по назначению:

материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения.