В ТГУ выводят на новый уровень создание «умных покрытий»

Учёные Тольяттинского государственного университета (ТГУ) совершенствуют технологию плазменно-электролитического оксидирования для получения принципиально новых многофункциональных smart-покрытий, применяемых в медицине и технике. Исследования поддержаны Российским научным фондом (РНФ).

Развитие аддитивных технологий и других способов сложного формования деталей открыло новые возможности производства узлов и агрегатов различной техники, а также медицинских изделий для травматологии и ортопедии. Одним из «драйверов» развития материаловедения и технологий цветных сплавов стало открытие в 2001 году магниевых сплавов с упрочняющей длиннопериодической упорядоченной фазой (long-period stacking-ordered phase – LPSO-фазой). По своим механическим свойствам они намного превосходят промышленные литейные и деформируемые магниевые сплавы, а также многие алюминиевые и титановые сплавы. При этом выдающиеся прочностные характеристики таких сплавов, как правило, сочетаются с низкой коррозионной стойкостью и неоднозначными данными по усталостной прочности, а значит такие сплавы нуждаются в защите и инжинирии поверхности.  

В десятки раз повысить износостойкость и коррозионную стойкость материала позволяет технология плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО), которая с помощью электрических разрядов на изделии, погружённом в электролит, позволяет создавать слой керамики на его поверхности. Формируемое «покрытие» в значительной степени определяет как техническое, так и биомедицинское поведение изделия при эксплуатации.

Исследователи подчёркивают, что формируемые в результате ПЭО на поверхности оксидно-керамические слои нельзя считать традиционными покрытиями, поскольку в их формировании участвует как материал обрабатываемой основы, так и материал из электролита. В итоге слой растёт и внутрь, и наружу, создавая пористую керамическую матрицу, в которую можно внедрять различные вещества во время и после ПЭО.

Изучением и совершенствованием технологии ПЭО в Тольяттинском государственном университете занимаются сотрудники научно-исследовательского института прогрессивных технологий под научным руководством профессора, доктора физико-математических наук Михаила Криштала. В рамках нового проекта исследователи создают поверхности с расширенным или новым комплексом свойств на изделиях из магниевых сплавов, в том числе с LPSO-структурой.  

– С такими сплавами ПЭО работает не так хорошо, как с обычными сплавами магния, – говорит руководитель проекта Михаил Криштал. – Нужно понять, как лучше управлять процессом, чтобы получить качественное «покрытие». Можно добавлять в раствор разные вещества (наночастицы и органические соединения), чтобы улучшить свойства «покрытия». Это называется гибридной технологией.  Можно после создания керамического слоя как матрицы дополнительно обработать его, чтобы улучшить достигнутые или придать новые нужные свойства. Это называется комбинированной технологией,

Работы в этом направлении ведутся как в российских научных организациях (Институт химии ДВО РАН (Владивосток), Томский Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, НИУ «Московский авиационный институт», НИТУ «МИСиС», МГТУ «Станкин» и др.), так и за рубежом – в Германии, Великобритании, Испании, Китае и др. Однако практический опыт в научно-технической литературе по предметной области встречается редко. А в целом исследования находятся в стадии накопления новых результатов и формирования общих представлений.

– Применяя гибридные и комбинированные технологии на основе ПЭО, мы можем создать на поверхности изделия «покрытие», которое будет обладать нужными свойствами (прочностью, износостойкостью, биосовместимостью и т.д.) именно там, где это необходимо. И, что самое важное, мы можем управлять этими свойствами, изменяя их в разных местах изделия, – поясняет Михаил Криштал. – В свою очередь, в процессе эксплуатации сформированные слои будут раскрывать заложенные в них свойства именно там, где это необходимо, и именно тогда, когда это необходимо. Такие «покрытия» можно отнести к многофункциональным и адаптивным, то есть к категории «умных» (smart-coating).

Магниевые материалы с умными «покрытиями» могут найти применение в ракетно-космической, аэрокосмической, автомобилестроительной отраслях. Особенно перспективным может стать их использование в производстве беспилотных авиационных систем, например, для снижения инерционных нагрузок в подвижных соединениях (кривошипно-шатунном механизме, снижении веса деталей цилиндропоршневой группы и тд.), оптимизации массогабаритных характеристик и повышения грузоподъёмности или времени непрерывного нахождения в воздухе, а также в производстве малой моторной техники народно-хозяйственного потребления (мотоциклы, снегоходы, бензопилы и т.д.).

«Умная» технология ПЭО может быть применена и в медицинских целях. За счёт создания оксидных слоёв с заданными свойствами на имплантатах из биорезорбируемых магниевых сплавов процессы остеосинтеза будут синхронизированы со сроком службы медицинских изделий.

– Мы можем сделать так, чтобы имплантат растворялся с нужной скоростью, можем добавить в «покрытие» вещества, которые будут стимулировать рост костной ткани и ускорять заживление, убивать бактерии и предотвращать инфекцию. Также можно создать имплантат для конкретного пациента с учётом его возраста, особенностей организма и скорости заживления костей, – подчёркивает Михаил Криштал.  – Это позволит потенциально перейти к персонифицированной медицине в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и других областях медицины, а также решить вопрос импортозамещения медицинских имплантатов зарубежного производства, поставки которых в Россию прекращены с 2022 года.

Проект учёных ТГУ стал одним из победителей конкурса на получение гранта РНФ по направлению «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами». Исследования ведутся в рамках программы развития университета до 2030 года, с которой ТГУ стал участником двух федеральных проектов – «Приоритет 2030» и «Передовые инженерные школы».