Моделирование реальных условий эксплуатации материалов медико-биологического назначения методами динамического микро- и наноиндентирования

Психолого-педагогический журнал Гаудеамус, №2 (20), 2012

УДК 593.3

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАТЕРИАЛОВ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ МЕТОДАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО МИКРО- И НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ

А.И. Тюрин, Т.С. Пирожкова, М.О. Воробьев

В статье рассматривается моделирование реальных условий эксплуатации материалов медикобиологического назначения методами динамического микро- и наноиндентирования.

Ключевые слова: наноиндентирование, активационная энергия, краудионы.

В современной медицине широко применяются различные виды материалов медико-биологического назначения - керамики, металлы, сплавы и т.д. Так, например, для восстановительной хирургии эти материалы используются в качестве протезирующих элементов тканей и органов, для оборудования медицинского назначения -режущих инструментов, посуды средств ухода за больными и т.д. В процессе эксплуатации медицинские изделия, в частности эндопротезы, подвергаются действию агрессивных сред, локальных механических напряжений и других факторов, которые могут приводить к более активному износу материалов. Это заставляет проводить исследования прочности и пластичности используемых материалов в условиях действия высоких локальных напряжений. При этом прямые исследования в процессе эксплуатации медицинских изделий крайне затруднительны и практически невозможны. Однако смоделировать условия механической эксплуатации различных конструкций в максимально контролируемых условиях, когда материал подвергается действию высоких неоднородных локальных напряжений, можно методами динамического микро- и наноиндентирования. Поэтому целью работы явилось моделирование реальных условий механической эксплуатации материалов медико-биологического назначения методами динамического микро- и наноиндентирования и выявление микромеханизмов деформирования материалов в условиях действия высоких локальных напряжений.

Для исследования применялся метод динамического микро- и наноиндентирования. Исследования проводились на образцах на-ноструктурированной керамики на основе

ZrO2, монокристаллах ЫР и плавленом кварце. Индентирование проводилось треугольным симметричным импульсом нагружения. Амплитуда приложенной силы варьировалась в диапазоне от 1 мкН до 1Н. Это позволило исследовать зону деформации от десятых долей нанометра до единиц микрон (0,6 нм до 7 мкм). Исследования проводились нанотрибоиндентометре Hysitron Т1 950 TriboIndenter.

Полученные данные величины действующей силы - Р и глубины внедрения ин-дентора - к перестраивались в виде характерных Р(к) диаграмм. Анализ Р(к) диаграмм позволяет выделить области только упругой деформации и области с упругопластической деформацией, рассчитать ряд прочностных характеристик материала (твердость - Н, модуль Юнга - Е и др.), определить энергетические характеристики процесса индентиро-вания (энергию, подведенную при инденти-ровании, возвращенную, рассеянную в процессе формирования отпечатка и приведенную - приходящуюся на один атом вытесненный из отпечатка). Значения, полученные для всех исследуемых материалов, приведены на рисунке 1.

Полученные значения приведенной энергии - Ж для плавленого кварца (рис. 1) в диапазоне глубин от 15 нм до нескольких сотен нанометров, лежат в интервале от 2 до 8 эВ/шт, а с глубины 150 нм принимает постоянное значение - 5,6 эВ/шт. Аналогичный расчет для LiF показывает, что Ж в интервале глубин от 2 нм до 7 мкм меняется от сотых долей до единиц электрон-вольт. Это позволяет выявить несколько стадий в процессе формирования отпечатка, стадию, на которой доминирующими являются дислокационные механизмы (к от 1 до 7 мкм).

4. Развитие математических теорий и методов для компьютерных приложений

hmaxi НМ

Рис. 1. Зависимость величины приведенной энергии Ж от размера зоны деформирования

В диапазоне h менее 2-4 нм происходит чисто упругая деформация материала, которая сменяется упруго-пластической деформацией. При глубинах от 2-4 нм до 100-150 нм пластическая деформация обусловлена образованием и перемещением точечных дефектов, в области h от 100-150 нм до нескольких сотен нанометров возможно действие краудионных микромеханизмов деформирования, а при больших значениях h - дислокационными микромеханизмами. Значения W, полученные для керамики на основе ZrO2 (рис. 1), лежат в интервале от 2 до 5 эВ/шт. Это свидетельствует в пользу моноатомных микромеханизмов деформирования.

Литература

1. Карлов А.В. Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. Томск: ТГУ, 2001.

2. Дубок В.А. Биокерамика - вчера, сегодня, завтра // Порошковая металлургия. 2000. № 7/8. С. 69-86.

3. Шубняков И.И., Тихилов Р.М., Гончаров М.Ю. и др. Достоинства и недостатки современных пар трения эндопротезов тазобедренного сустава (обзор иностранной литературы) // Травматология и ортопедия России. 2010. Т. 57. № 3. С. 147-158.

4. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М. Машиностроение, 2009.

5. Wheeler M. Nanoindentation under Dynamic Conditions. University of Cambridge, 2009.