Разработка метода реакционно-диффузионного спекания для создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-79-10045

НазваниеРазработка метода реакционно-диффузионного спекания для создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения

Руководитель Аникеев Сергей Геннадьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Никелид титана, TiNi, пористый, спекание, реакционно-диффузионное взаимодействие, структура, поверхность стенок пор, шероховатость, микропористость, сверхэластичность, гистерезис, имплантат.

Код ГРНТИ53.39.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы создания методом реакционно-диффузионного спекания биосовместимых пористых сплавов на основе никелида титана с высокими конструкционными и вместе с тем оптимальными функциональными свойствами, а именно с развитой проницаемой внутренней структурой порового пространства, шероховатой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Коллектив молодых ученых стремится к решению задачи получения биосовместимого пористого сплава на основе никелида титана с подобными структурными и физико-механическими свойствами остеогенным биологическим тканям организма. Предлагаемый подход при создании пористого сплава TiNi с добавками Ti, Ni, Co позволяет разработать новый сплав на основе никелида титана за счет активации реакционного и диффузионного типов взаимодействий в спекаемой порошковой системе. Первостепенную задачу исследования, которую стремятся решить авторы, можно сформулировать следующим образом – необходимо изыскать возможность регулирования атомного состава соединения TiNi в спекаемой порошковой системе гидридно-кальциевого порошка никелида титана для достижения гистерезисного характера формоизменения пористого материала TiNi, за который ответственны фазовые мартенситные превращения. Проблема, которая требует решения заключается в том, что метод диффузионного спекания, в котором используется только готовый порошок TiNi, имеет высокий потенциал для создания разнообразных материалов на основе никелида титана, позволяет получать материалы с высокими конструкционными и прочностными свойствами, но по причине смещения в процессе спекания соотношения Ti и Ni в составе соединения TiNi (до 55–60 ат.% Ni), происходит дисперсионное упрочнение сплава за счет формирования избыточного количества фаз Ti3Ni4, что снижает функциональные свойства сплава TiNi (отсутствие эффекта памяти формы и гистерезисного характера формоизменения). Добавка только порошка Ti не позволит в полной мере скомпенсировать обогащение по Ni, так как в таком случае формируются массивы на основе порошинок Ti в структуре межпоровых перемычек, которые будут препятствовать реализации мартенситного превращения. По мнению авторов, необходимо использовать реакционную способность малых добавок Ni и Co в совокупности с Ti для активации объемной и поверхностной диффузии в процессе изотермического спекания гидридно-кальциевого порошка TiNi. Регулирование состава получаемого сплава будет выполнено с учетом величин коэффициентов диффузии в сложной спекаемой порошковой шихте путем использования метода Матано–Больцмана, который применим как для однофазных систем гидридно-кальциевого порошка интерметаллида TiNi, так и для многофазных TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co. Изучение структурных особенностей сплавов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co будет выполнено методиками оптической, растровой (РЭМ), просвечивающей, ионной, атомно-силовой (АСМ), конфокальной микроскопий (КМ) , рентгеноструктурным анализом, ртутной порометрией с использованием современного сертифицированного исследовательского оборудования. В процессе получения пористых сплавов на основе никелида титана будут выдержаны необходимые условия для создания на поверхности стенок пор развитого шероховатого микрорельефа за счет создания террасовидных структур для увеличения адгезивных свойств пористого материала на основе TiNi. Особый интерес представляет задача исследования биосовместимости пористых материалов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co путем проведения экспериментов in-vitro с клеточными мезенхимальными культурами костного мозга. Сравнение кинетики взаимодействия популяций с поровым пространством инкубаторов, изготовленных на основе полученных пористых сплавов никелида титана, позволит выявить факторы, способствующие успешной интеграции живых клеток в поровом пространстве материала. Новейшим этапом в изучении морфологических свойств поверхности и биосовместимости пористых сплавов на основе TiNi станет исследование методами атомно-силовой микроскопии электрохимического потенциала исходной поровой поверхности с террасовидными структурами и оксикарбонитридными частицами Ti4Ni2(O,N,C). Выявление роли величины и параметров электрохимического потенциала на процессы адгезии клеточных популяций в поровом пространстве будет определено в экспериментах in-vitro с клеточными культурами методами АСМ, РЭМ и КМ. Данная задача является нетривиальной и потребует кропотливой работы по созданию модельных образцов, которые возможно исследовать методами АСМ, РЭМ и КМ без специфических разрушающих методик прободготовки (резка, шлифовка, электрополировка), которые необходимы для изучения традиционных пористых тел. Решение поставленной задачи запланировано посредством создания комбинированных двумерных образцов, которые будут выполнены путем спекания слоя порошковой шихты на очищенной монолитной пластине TiNi, с целью создания развитой шероховатой террасовидной поверхности на припекшихся друг другу частицах порошка никелида титана, доступ к которой будет свободен для кантилевера АСМ без предварительных операций пробоподготовки. Комплексный подход, заявленный для реализации научно-прикладной темы Проекта, невозможен без изучения физико-механических свойств полученных материалов на основе никелида титана TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co. Будут представлены результаты исследования деформационно-прочностных характеристик (предел прочности, деформация разрушения, напряжение мартенситного сдвига) путем анализа диаграммы деформирования «напряжение-деформация» в режиме деформации «растяжение» и диаграммы развиваемых усилий «напряжение-температура». Параметры фазовых мартенситных превращений (характеристические температуры и ширина температурного гистерезиса) будут определены методом измерения температурной зависимости удельного электросопротивления. Изучение свойств коррозионной стойкости будет выполнено на оригинальной установке по циклическому деформированию в режиме «изгиб» в жидкой коррозионной среде. Особую ценность будут иметь эксперименты по изучению особенностей гистерезисной зависимости формоизменения пористых сплавов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co под нагрузкой. Сравнение с живыми остеогенными тканями организма позволит в полной мере решить поставленные задачи Проекта. Итогом научно-исследовательской работы по Проекту станет разработка условий и режима реакционно-диффузионного спекания по созданию биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Результаты Проекта войдут в основу разработки отечественной технологии получения новых биосовместимых пористо-проницаемых материалов на основе никелида титана с оптимальными конструкционными и функциональными свойствами для использования в имплантологии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Кафтаранова М.И., Яковлев Е.В., Гюнтер В.Э. Структура поверхности порошкового сплава на основе никелида титана, полученного методом диффузионного спекания ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ФИЗИКА / RUSSIAN PHYSICS JOURNAL, т.63, 3(747), С. 124-130 (год публикации - 2020)
10.17223/00213411/63/3/124

2. Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н., Артюхова Н.В., Гарин А.С., Гюнтер В.Э. Влияние добавок титана на структурные особенности пористых материалов на основе никелида титана, полученных методом диффузионного спекания НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ / INORGANIC MATERIALS (год публикации - 2020)

3. Мамазакиров О. Р., Аникеев С.Г. , Артюхова Н.В. Obtaining biocompatible porous TiNi-based materials by methods of self-propagation high-temperature sinthesis and sintering Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (год публикации - 2020)

4. Гарин А.С., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В. Структурные особенности сплавов на основе никелида титана с добавками титана, полученные методом диффузионного спекания Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (год публикации - 2020)

5. Волочаев М.Н., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В. Исследование методом просвечивающей микроскопии структурных особенностей порошка на основе никелида титана Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (год публикации - 2020)

6. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И. Создание методом диффузионного спекания двумерных пористых материалов на основе никелида титана для применения неразрушающих методик исследования структурных особенностей Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (год публикации - 2020)

7. Корсакова Д.Р., Аникеев С.Г. Разработка способа изготовления электрода для изучения электрохимических свойств поверхности никелида титана Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (год публикации - 2020)

8. Гарин А.С., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И. Биосовместимые пористые сплавы на основе никелида титана с добавками титана, полученные методом диффузионного спекания Сборник материалов XVII Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела “ФТТ-2020” (год публикации - 2020)

9. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Гарин А.С., Ходоренко В.Н., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Структурные особенности порошкового сплава TiNi в перспективе создания биосовместимых пористых материалов методом диффузионного спекания Сборник материалов LXII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (АПП-2020) (год публикации - 2020)

10. Аникеев С.Г., Яковлев Е.В., Артюхова Н.В., Мамазакиров О.Р., Кафтаранова М.И., Промахов В.В. Production of two-dimensional porous TiNi-based powder material by diffusion sintering and electron-beam processing 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) - 4th International Conference on New Materials and High Technologies -, P. 1240 – 1243. (год публикации - 2020)
10.1109/EFRE47760.2020

11. Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Волочаев М.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О. Диффузионное спекание пористого порошкового сплава на основе никелида титана с добавками титана Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 390-391 (год публикации - 2020)
10.17223/9785946219242/246

12. Аникеев С.Г. , Артюхова Н.В. , Ходоренко В.Н , Мамазакиров О. , Волочаев М.Н , Моногенов А.Н, Яковлев Е.В. Study of the TiNi-based powder alloy surface by non-destructive testing methods Abstracts of 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2020 online), С. 553-553 (год публикации - 2020)

13. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Мамазакиров О.Р., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Создание методом диффузионного жидкофазного спекания пористых сплавов на основе никелида титана с мартенситными превращениями и развитой поверхностью стенок пор Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020), 86-87 (год публикации - 2020)

14. КафтарановаМ.И., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Гарин А.С., Ходоренко В.Н. Структурные особенности пористых материалов на основе TiNi с добавками Ti, полученных методом жидкофазного диффузионного спекания Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020), С. 91-92 (год публикации - 2020)

15. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Двумерные пористые материалы на основе TiNi, полученные методом спекания Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020), С. 111-112 (год публикации - 2020)

16. Волочаев М.Н., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В. Структурные особенности порошка никелида титана, применяемого для изготовления биосовместимых материалов Сборник тезисов XXVIII Российской конференции по электронной микроскопии «Современные методы электронной, зондовой микроскопии и комплементарных методов исследованиях наноструктур и наноматериалов»., С. 266-267 (год публикации - 2020)
10.37795/RCEM.2020.69.19.036

17. Корсакова Д.P., Шабалина В.А., Аникеев С.Г. Изучение возможности характеризации процесса роста клеточных структур на поверхности никелида титана Сборник тезисов XI Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», С. 26-26 (год публикации - 2020)

18. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Волочаев М.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р. Using titanium additives to produce high porous TiNi-based alloys with martensitic transformations AIP Conference Proceedings, 2310 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0034809

19. Кафтаранова М.И. , Аникеев С.Г. , Артюхова Н.В. Структура и мартенситные превращения в пористом сплаве TiNi–Ti-Co/Ni, полученном методом диффузионного спекания Сборник тезисов XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (год публикации - 2021)

20. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н. , Яковлев Е.В., Марков А.Б., Промахов В.В., Мамазакиров О.Р. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру порошкового сплава TiNi, полученного методом гидридно-кальциевого восстановления Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2021)

21. Корсакова Д.Р., Аникеев С.Г. Исследование изменений свойств поверхности электрода из TiNi в процессе роста модельных клеток Сборник тезисов XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (год публикации - 2021)

22. Аникеев С.Г., Шабалина А.В., Кулинич С.А., Артюхова Н.В., Корсакова Д.Р., Яковлев Е.В., Власов В.А., Кокорев О.В., Ходоренко В.Н. Preparation and Electron-Beam Surface Modification of Novel TiNi Material for Medical Applications Applied Sciences, 11 4372 (год публикации - 2021)
10.3390/app11104372

23. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Волочаев М.Н., Ходоренко В.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р., Промахов В.В., Гюнтер В.Э. Свойства порошкового сплава ПВ–Н55Т45 в перспективе создания пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана с мартенситными превращениями Четвёртая международная конференция «Сплавы с памятью формы». Москва. 13-17 сентября 2021 г. Сборник тезисов., М: НИТУ «МИСиС», 2021, С. 9. (год публикации - 2021)

24. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р., Промахов В.В., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Фазово-химическое состояние сплавов TiNi-Ti-Ni и TiNi-Ti-Co Четвёртая международная конференция «Сплавы с памятью формы». Москва. 13-17 сентября 2021 г. Сборник тезисов., М: НИТУ «МИСиС», 2021, С. 45. (год публикации - 2021)

25. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Мамазакиров О.Р., Моногенов А.Н., Ходоренко В.Н. Фазовые превращения в спеченном пористом сплаве TiNi–Ti-Co/Ni Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск : Издательство ТГУ, 2021. – С. 188-189. (год публикации - 2021)

26. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Шабалина А.В., Кулинич С.А., Ходоренко В.Н., Кафтаранова М.И., Промахов В.В., Гюнтер В.Э. Preparation of porous TiNi-Ti alloy by diffusion sintering method and study of its composition, structure and martensitic transformations Journal of Alloys and Compounds, № 900, 163559 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2021.163559

27. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н., Прочностные и пластические свойства сплавов TiNiMoFeCu Материалы XХI Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых, (07 — 11 февраля 2022 года) (год публикации - 2022)

28. Мамазакиров О. Исследование проницаемости модифицированного никелида титана, полученного методом диффузионного спекания XVIII Российская научная студенческая конференция по Физике твердого тела. 28 – 31 марта 2022, Томск. Сборник трудов., С. 59-61 (год публикации - 2022)

29. Кафтаранова М.И. Исследование состояния поверхности биосовместимого пористого сплава на основе TiNi ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С. 169-171 (год публикации - 2021)

30. Артюхова Н.В. Деформационное поведение пористого сплава на основе никелида титана с добавками Co, полученного методом спекания ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С. 5-6 (год публикации - 2021)

31. Аникеев С.Г., Шабалина А.В., Столяров В.В. Использование аптамеров для увеличения параметров биосовместимости пористых материалов на основе TiNi Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.). (год публикации - 2022)

32. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И. Электронно-пучковая обработка порошкового сплава TiNi Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.). (год публикации - 2022)

33. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н. Структурные и морфологические характеристики пористых материалов TiNi-Ti-Co Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.) (год публикации - 2022)

34. Мамазакиров О., Аникеев С.Г., Артюхова Н. В. Permeability of the porous titanium nickelide based alloys with titanium additions produced by the diffusion sintering method Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.) (год публикации - 2022)

35. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Мамазакиров О .Р. Проницаемость пористых сплавов на основе TiNi, полученных методом диффузионного спекания XI Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2021» г. Томск, 1-3 декабря 2021 г. / Сборник трудов. (год публикации - 2022)

36. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Столяров В.В. Деформационно-прочностные свойства пористых сплавов на основе TiNi с добавками Ti XI Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2021» г. Томск, 1-3 декабря 2021 г. / Сборник трудов. (год публикации - 2022)

37. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н., Артюхова Н.В. Структура поверхности биосовместимых пористых образцов сплава TiNi, полученных диффузионным спеканием XI Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2021» г. Томск, 1-3 декабря 2021 г. / Сборник трудов. (год публикации - 2022)

38. Аникеев С.Г. Фазовый состав порошкового сплава на основе никелида титана, полученного методом гидридно-кальциевого восстановления ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С. 3-4 (год публикации - 2021)

39. Мамазакиров О. Особенности структуры и проницаемость модифицированного пористого никелида титана, полученного методом диффузионного спекания ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С.176-177 (год публикации - 2021)

Публикации