СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PRODUCING HIGH-POROSITY MATERIALS

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения пористых многослойных проницаемых материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может быть использовано в медицине для изготовления функционально-градиентных имплантатов.
Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков исходных компонентов при их соотношении, обеспечивающем ее самостоятельное горение, гранулирование исходной шихты, прессование гранул в заготовку заданной формы, проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и последующее охлаждение полученного материала в вакууме, при этом формование заготовки проводят послойно из гранул различных фракций.
Полученный многослойный пористый материал характеризуется градиентным распределением пор размером 10-500 мкм с общей пористостью 46-75% и долей открытой пористости 90-95%.
Известен способ получения пористых материалов, заключающийся в том, что в порошок основного материала перед прессованием вводят порообразователь, который удаляется в процессе спекания за счет испарения [1].
Недостатками данного способа получения пористого материала является малый размер пор и недостаточный предел регулирования пористости, что не позволяет получать изделия с заданными эксплуатационными параметрами.
Известен способ получения пористых композиционных материалов, включающий в себя приготовление экзотермической смеси порошков из исходных компонентов при определенных соотношениях, обеспечивающий ее самостоятельное горение, формование заготовки, термовакуумную обработку заготовки, локальное инициирование горения в химически инертной среде при температуре 700-1050°С в вакууме или в среде инертного газа при давлении не более 1,5 МПа, при этом в состав экзотермической смеси может быть дополнительно введен или металл из группы I-III, или карбид, борид, силицид по меньшей мере одного металла, выбранного из IV-VI, VIII групп, или оксид, нитрид по меньшей мере одного элемента, выбранного из III-V групп [2].
Материал, полученный по этому способу, имеет общую пористость 25-70%, размер пор 10-20 мкм.
Недостатком данного способа получения пористого материала является незначительный размер пор, что не позволяет получать изделия с заданными биомеханическими параметрами.
В качестве прототипа заявленного изобретения принят способ получения пористого материала, включающий приготовление экзотермической смеси порошков исходных компонентов при определенных соотношениях, обеспечивающий ее самостоятельное горение, прессование приготовленной смеси в заготовку заданной формы, термовакуумную обработку заготовки до начала самовоспламенения, проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и последующее охлаждение полученного материала в вакууме, при этом приготовление экзотермической смеси проводят послойно по крайней мере в количестве не менее двух слоев, равных или отличных по толщине и составу компонентов, дисперсность порошков исходных компонентов в каждом из слоев отличается друг от друга в сторону увеличения от первого слоя к последующему, при этом по крайней мере в одном из слоев используют монодисперсные или разнодисперсные порошки исходных компонентов [3].
Недостатком данного способа получения пористого материала является узкий диапазон размера пор и низкий предел прочности материала.
Целью изобретения является разработка способа получения пористых материалов, с более широким диапазоном пор и высоким пределом прочности, в том числе пригодных для изготовления изделий медицинского назначения.
Эта цель реализуется путем формования заготовки послойно из гранул различных фракций при разных удельных давлениях прессования.
Известно, что увеличение размера частиц приводит к повышению пористости материала, а также к увеличению размера пор. Однако это справедливо только по отношению к исходной заготовке.
В процессе проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), когда температура горения порошкообразной шихты превышает температуру плавления хотя бы одного исходного компонента, размер частиц не имеет приниципиального значения. При горении образуется расплав исходных компонентов и продуктов синтеза по всему фронту горения, что,  в конечном счете, после охлаждения продуктов синтеза приводит к существенному снижению пористости синтезируемого образца.
При использовании гранулированной шихты зона расплава ограничивается размерами одной гранулы и сплошного фронта расплава не образуется, что обеспечивает хорошую проницаемость продуктов синтеза. При этом пористость получаемого продукта различная внутри гранул и образца в целом, что обеспечивает расширение диапазона образующихся пор.
Кроме этого использование гранул исходной шихты определенного размера позволяет регулировать толщину получаемого слоя синтезируемого материала требуемой пористости в широких пределах.
Формирование заготовки путем послойного чередования крупных и мелких гранул обеспечивает получение в процессе синтеза изделия с различной пористостью, что является иллюстрацией причинно-следственной связи между первым существенным признаком изобретения и достигаемым техническим результатом. В итоге достигается высокая пористость свыше 46-75%, в том числе доля сквозной пористости порядка 90-95% и широкий диапазон размера пор 10-500 мкм.
Вторым признаком изобретения является давление прессования, которое при формовании конкретного образца может быть одинаковым для всех слоев или различным. Оно изменяется при формировании заготовок в случае необходимости получения образцов заданной пористости.
уд
уд
Например, при сжигании заготовки из шихты состава TiB+40%Ti из  гранул размером 3,0 мм при Р = 20 МПа синтезируемые образцы имеют пористость 74%, а при Р = 55 МПа их пористость составляет 61%.
При формировании заготовки путем послойного прессования слоев крупных и мелких гранул при одном и том же давлении прессования различная пористость синтезируемого изделия обеспечивается только за счет первого признака изобретения.
Если кроме чередования слоев крупных и мелких гранул дополнительно применяется разное давление прессования для различных слоев. Пористость готового изделия может варьироваться в более широких пределах. При этом нижний слой запрессовывается при более высоком давлении, а каждый последующий - при более низком. Указанный прием обеспечивает повышение прочности синтезируемых изделий.
уд
сж
Например, после сжигания трехслойной заготовки из шихты состава TiB+40%Ti из  гранул размером 3,0 мм, сформированной послойно при Р = 20, 35 и 55 МПа, пористость слоев образца после синтеза составила соответственно 67, 59, 52%. При этом прочность слоев в виде σ составила 20, 27 и 35 МПа.
Таким образом, налицо причинно-следственная связь между вторым признаком изобретения (давлением прессования) и полученным результатом в виде прочности и пористости синтезируемых образцов.
В результате возможно регулирование конечной пористости образца в указанных пределах за счет варьирования размера гранул и удельного давления прессования, что позволяет получать проницаемые пористые материалы с заданным распределением пор по размерам.
Для приготовления экзотермической шихты используют порошки титана разной дисперсности марок ПТМ, ПТС и ТПП. В качестве экзотермической добавок используют углерод технический (сажа) марки П804Т и бор аморфный коричневый. Для гранулирования шихты используют раствор нитроцеллюлозы в ацетоне, который смешивают с порошками титана, углерода и бора. Из полученной смеси изготавливают гранулы размером 1-3 мм методом протирания через сетку, которые высушивают до полного удаления растворителя.
Способ представлен следующими примерами.
уд
сж
Пример 1. Готовят экзотермическую смесь из порошков титана марки ПТМ и бора аморфного коричневого, при следующем соотношении компонентов: 88 мас.% Ti и 12 мас.% В. Вводят раствор нитроцеллюлозы в ацетоне порядка 3-4% и получают гранулы разной фракции с размером гранул 1,0 и 3,0 мм методом протирания через сетку. Гранулированную шихту высушивают до полного удаления растворителя. Полученные гранулы послойно формуют в цилиндрической матрице d=23 мм при удельном давлении прессования  Р=55 МПа, чередуя слой с крупными гранулами и слой с более мелкими гранулами. Заготовку помещают в вакуумную камеру, снабженную системой инициирования горения. Проводят самораспространяющийся высокотемпературный синтез с последующий выдержкой полученного материала в вакууме до полного остывания. Полученный пористый материал характеризуется градиентным распределением пор с пористостью порядка 55% и долей открытой пористости с 90-95%. Размер пор 50-400 мкм. Предел прочности на сжатие σ=32 МПа.
Пример 2. Готовят экзотермическую смесь из порошков титана марки ТПП и углерода технического (сажа) марки П804Т, при следующем соотношении компонентов: 92 маc.% Ti и 8 маc.% С. Вводят раствор нитроцеллюлозы в ацетоне порядка 4-5% и получают гранулы разной фракции с размером гранул 1 и 2,5 мм методом протирания через сетку. Гранулированную шихту высушивают до полного удаления растворителя.
сж
Формование и сжигание заготовки проводится аналогично предыдущему примеру. Полученный пористый материал характеризуется градиентным распределением пор с пористостью порядка 65% и долей открытой пористости с 90-95%. Размер пор 30-300 мкм. Предел прочности на сжатие σ=28 МПа.
уд
уд
уд
сж
Пример 3. Готовят экзотермическую смесь из порошков титана марки ПТМ и бора аморфного коричневого, при следующем соотношении компонентов: 88 мас.% Ti и 12 мас.% В. Вводят раствор нитроцеллюлозы в ацетоне порядка 2-4% и получают гранулы размером 1,5 мм методом протирания через сетку. Гранулированную шихту высушивают до полного удаления растворителя. Полученные гранулы послойно формуют в цилиндрической матрице d=23 мм при различном удельном давлении прессования каждого слоя. Первый слой при Р=55 МПа, второй слой при Р=35 МПа, третий - при Р=20 МПа. Заготовку помещают в вакуумную камеру, снабженную системой инициирования горения. Проводят самораспространяющийся высокотемпературный синтез с последующей выдержкой полученного материала в вакууме до полного остывания. Полученный пористый материал характеризуется градиентным распределением пор и разным пределом прочности на сжатие для каждого слоя. Пористость слоев образца после синтеза составила соответственно 52, 59, 67%. При этом прочность слоев в виде σ составила 35, 27 и 20 МПа.
Предложенная совокупность существенных признаков не известна из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста-материаловеда, и может быть серийно воспроизведена в производстве, то есть соответствует критериям патентоспособности.
Способ может применяться и широко использоваться в промышленных условиях для создания материалов и изделий, в том числе медицинского назначения, в случае синтеза биологически совместимых материалов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР №66650, В22F 3/12, 1944.
2. Авторское свидетельство СССР №1826300 A1, B 22F 3/10, С22С 1/04, С22С 1/08 от 20.03.96.
3. Патент РФ №2175904, B22F 3/10, B22F3/23, С22С 1/08/ Уваров В.И., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Заявл. 25.02.2000. Опубл. 20.11.2001.