Исследования влияния технологических факторов на адгезионные свойства биоактивных покрытий

Рисунок 7 – Образец и матрица и для испытания на прочность сцепления при сдвиге: а) и б) - эскизы; 1 – покрытие (Ø29,36 мм после напыления и Ø28,35±0,13 мм после чистовой обработки; вырез 0,76 мм); 2 – основа; А и Б поверхности параллельные друг другу и перпендикулярные оси образца.

                              а) общий вид                                  б) пресс

Рисунок 8 - Определение прочности сцепления (фото)

Рисунок 9 -  Внешний вид образцов продавленных сквозь матрицу после испытания на сдвиг

2.4 Устройство и работа растрового электронного микроскопа

Растровый электронный микроскоп (РЭМ), как и традиционный микроскоп, имеет линзовую систе­му, но функция этой системы состоит в том, чтобы получить пучок электронов предельно малого се­чения (зонд), обеспечивающий достаточно большую ин­тенсивность ответного сигнала от участка объекта, на который попадает этот пучок.

Электронный пучок формируется в электронной пушке (рис. 10). Между катодом и анодом создаётся высокое напряжение (100-200 кВ) и электроны начинают вырываться с разогретой поверхности катода. Под действием высокого напряжения электроны разгоняются и проходят через анодную сетку. Далее пучок электронов проходит через систему электронных линз. Электронные линзы представляют собой индукционные катушки которые фокусируют и отклоняют поток электронов (зонд).

Рисунок 10 - Принципиальная схема электронной пушки

После взаимодействия потока электронов с образцом возникаю вторичные (ВЭ) и упруго отражённые электроны (ОЭ), Оже-электроны, рентгеновское излучение. Для РЭМ представляют интерес ВЭ и ОЭ, они регистрируются коллектором электронов (рис. 11). От того же генератора развертки луча (или генера­тора сканирования, смотри рис. 12) работает катодно-лучевая (телевизионная) трубка, яркость электронного луча этой трубки модулируется сигналом от коллектора электронов, подаваемого через усилитель видеосигнала.

Рисунок 11 - Устройство для регистра­ции вторичных и отраженных элект­ронов: 1—сетка; 2—сцинтиллятор; 3— светопровод;  4— фотокатод или фо­тоэлектронный умножитель; 5—изо­лятор; 6 — металлический стакан; А—пучок падающих (первичных) электронов; Б — поверхность объ­екта; В— коллектор.

Разного рода сигналы представляют информацию об особенностях соответствующего участка объекта. Размер этого уча­стка (по порядку величины) определяется сечением зонда, который в существующих конструкциях растро­вых электронных микроскопов может достигать 10-100Å.

Рисунок 12 - Принципиальная схема растрового электронного микроскопа (а) и схема системы объектива с малым отверстием нижнего полюсного наконечника (б) 1—нижний полюсный нако­нечник; 2—объективная ди­афрагма: 3—стигматор; 4— отклоняющие катушки для сканирования.

Чтобы получить информацию о микроструктуре дос­таточно большой области, которая представляла бы ха­рактерную структуру объекта, ответственную за интере­сующие нас макроскопические физические или механи­ческие свойства, зонд заставляют обегать (сканировать) заданную площадь объекта по заданной программе (движется луч по строчкам, образующим квадрат, круг и т. д.).

Масштаб изображения на экране катодно-лучевой трубки оп­ределяется отношением размера  сканирования на поверхности объекта и размера изображения (растра) на экране. Уменьшение размера участка сканирования при­водит к росту увеличения изображения. Предельные уве­личения в современных конструкциях РЭМ достигают 150000—200000. Разрешающая способность зависит от вида используемого сигнала и вида объекта. Наименьшие значения разрешаемого расстояния 70—100 Å при использовании эффекта эмиссии вторичных электронов. При любом виде используемого для выявления микроструктуры сигнала характерным является чрезвычайно большая глубина резкости вследствие очень малой апертуры (практически, параллельности) электронного зон­да. Глубина резкого изображения объекта оказываем всегда не меньшей, чем размер изображаемого участка в плоскости. Если линейный размер экрана около 100 мм, то при увеличении 10000 изображаемое поле объекта »10 мкм, примерно такой же будет и глубина резкого изображения объекта (»1 мкм).

3. АДГЕЗИЯ. ТЕОРИИ АДГЕЗИИ

Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) в физике — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (вандерваальсовым, полярным, иногда — образованием химических связей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, т. е. сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, т. е. разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Адгезия существенно влияет на природу трения соприкасающихся поверхностей: так, при трении поверхностей с низкой адгезией трение минимально. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен (тефлон), который в силу низкого значения адгезии в сочетании с большинством материалов обладает низким коэффициентом трения. Некоторые вещества со слоистой кристаллической решёткой (графит, дисульфид молибдена), характеризующиеся одновременно низкими значениями адгезии и когезии, применяются в качестве твёрдых смазок.

Наиболее известные адгезионные эффекты — капиллярность, смачиваемость/несмачиваемость, поверхностное натяжение, мениск жидкости в узком капилляре, трение покоя двух абсолютно гладких поверхностей. Критерием адгезии в некоторых случаях может быть время отрыва слоя материала определенного размера от другого материала в ламинарном потоке жидкости.

Адгезия имеет место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий. Адгезия матрицы и наполнителя композитов (композиционных материалов) является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.

Адгезия представляет собой крайне сложное явление, именно с этим связано существование множества теорий, трактующих явление адгезии с различных позиций.

В настоящее время известны следующие теории адгезии:

      Адсорбционная теория. Согласно этой теории адгезия осуществляется в результате адсорбции адгезива на порах и трещинах поверхности субстрата.

      Механическая теория. Теория рассматривает адгезию как результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата.

      Электрическая теория. Основное положение этой теории заключается в том, что система адгезив — субстрат отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей, — с обкладкой конденсатора.

      Электронная теория. Согласно этой теории, адгезия рассматривается как результат молекулярного взаимодействия поверхностей, различных по своей природе.

      Диффузионная теория. Адгезия, согласно данной теории, сводится к взаимной или односторонней диффузии молекул адгезива и субстрата.

      Химическая теория. Сторонники этой теории считают, что во многих случаях адгезия может быть объяснена не физическим, а химическим взаимодействием между адгезивом и субстратом.

4. ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ МЕТОД НАНЕСЕНИЯ БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ

4.1 Физические основы метода

Плазменно-дуговой метод заключается в формировании на поверхности детали покрытия из нагретых и ускоренных частиц с применением высокотемпературной плазменной струи, при соударении которых с основой или напыленным материалом происходит их соединение.

Особенности метода:

Плазменно-дуговое напыление применяется для напыления покрытий из порошков металлов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, из композиционных порошков и механических смесей различных порошков, проволок.

К достоинствам плазменно-дугового способа напыления покрытий относятся:

      возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения;

      относительно малое тепловое воздействие на подложку (обычно нагрев последней в пределах 50—150 °С), что позволяет наносить покрытия на поверхность широкого круга материалов, включая пластмассы, дерево, картон и т. п.;

      толщина покрытия может меняться в пределах от 15 мкм до 6 мм и более со средней разнотолщинностью ± 10 %;

      возможность использования для образования струи дуговой плазмы газов различного рода: инертных (аргона, гелия), восстановительных (водорода) и окислительных (воздуха, азота), а также аммиака, природного газа, водяного пара и других газообразных веществ, что в сочетании с применением камер с защитной средой (вакуумом) или защитных насадок позволяет регулировать свойства среды, в которой нагреваются и движутся частицы напыляемого материала;

      возможность гибкого регулирования электрического и газового режимов работы плазменной горелки, в том числе в течение самого процесса напыления, позволяет управлять энергетическими характеристиками напыляемых частиц;

      достаточно высокая производительность процесса, составляющая 3—11 кг/ч для горелок с электрической мощностью 25—40 кВт и 11—25 кг/ч для горелок мощностью 80—120 кВт;

      возможность нанесения покрытия на открытые поверхности практически без ограничения их размеров при условии наличия необходимых средств механизации и обеспечения техники безопасности.

Недостатками плазменно-дугового способа напыления покрытий являются:

      недостаточный в некоторых случаях уровень значений прочности сцепления покрытий с подложкой (обычно 15— 50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв);

      наличие пористости (обычно в пределах 2—15%), которая препятствует применению многих плазменных покрытий в коррозионных средах без дополнительной обработки;

      невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи при нагреве порошка (2—8%).

Струя дуговой плазмы образуется в плазмотроне за счет нагрева плазмообразующего газа при прохождении через дугу. Температура плазменной струи может составлять 5-103—55-103 °С, а скорость истечения достигать 1000—1500 м/с. Попадая в плазменную струю, частицы порошка нагреваются вплоть до стадии плавления и ускоряются, приобретая скорость 50—200 м/с.

Ударяясь о напыляемую поверхность, частицы сцепляются с ней за счет металлургического, механического и других видов взаимодействия.

Материал, используемый для плазменно-дугового напыления покрытий, должен плавиться без разложения и возгонки и, желательно, иметь достаточно большую разницу между температурами плавления и кипения (более 200—300 °С).

4.2 Структурная схема плазменного напыления

Создание высококачественных плазмонапыленных покрытий для изделий медицинского назначения с заранее программируемыми свойствами требует решения ряда проблем. В первую очередь к ним следует отнести разработку, изготовление и внедрение в производство автоматизированного технологического оборудования и оптимизацию технологий напыления металлических, биокерамических, полимерных, композиционных и других типов покрытий.

Процесс плазменного напыления порошковых материалов состоит из следующих основных этапов: транспортировки напыляемого порошка в высокотемпературную (Т = 5…10×103К) зону плазменной струи; разогрева частиц порошка до жидкопластического состояния и их разгона до высоких скоростей (V = 200 м/с и более); формирование покрытия. В целом обобщенная структурная схема базовой модели плазменного напылительного оборудования состоит из следующих подсистем (рис.13):

      генератора низкотемпературной плазмы (плазмотрон);

      подсистемы дозированной транспортировки порошков (порошковый питатель);

      газовакуумной подсистемы, обеспечивающей необходимые условия при разогреве порошков, их транспортировке и формировании покрытий;

      транспортно-позиционирующих устройств напыляемой детали и генератора плазмы, обеспечивающих доставку в зону напыления и взаимное ориентирование напыляемой детали и плазмотрона;

      подсистемы энергообеспечения и источников питания;

      подсистемы управления.

Научно-методические и организационно-технические аспекты разработки высокоэффективного плазменного оборудования и внедрение его в серийное производство базируются на глубоких научных обобщениях, эффективных технологиях и результатах комплексных исследований свойств покрытий (рис.13,14).

Рисунок 13 - Структурная схема автоматизированного базового комплекса плазменного напыления

Рисунок 14 - Структурная схема разработки, внедрения технологии и оборудования напыления в производство

4.3 Конструктивная схема генератора плазменного напыления