Модифицирование микродугового кальцийфосфатного покрытия на магниевом сплаве методом импульсного электронного облучения

В работе описан метод модификации микродуговых кальцийфосфатных покрытий на магниевом сплаве Mg0.8Ca импульсным электронным облучением. Выбраны оптимальные параметры для нанесения кальцийфосфатных покрытий на биорезорбируемом магниевом сплаве, была проведена модификация покрытий импульсным электронным облучением, было исследовано влияние модификации на структуру, морфологию поверхности, фазовый состав и свойства.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………….. 4
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ………………………………………………………………………… 6
1.1 Понятие биоматериалов и их классификация ………………………………………… 6
1.2 Покрытия на основе ортофосфатов кальция ………………………………………….. 8
1.3 Методы получения кальцифосфатных покрытий: классификация методо 15
1.4 Магниевые сплавы…………………………………………………………………………….. 22
1.4.1 Применение магниевых сплавов ……………………………………………………. 22
1.4.2 Свойства магния…………………………………………………………………………… 23
1.4.3 Использование магниевых сплавов для имплантатов. …………………….. 27
1.4.4 Совместимость магния с ортофосфатами кальция ………………………….. 28
1.4.5 Виды имплантатов, получаемых из магниевых сплавов ………………….. 30
1.5 Метод микродугового оксидирования ………………………………………………… 32
1.5.1 Сущность метода МДО…………………………………………………………………. 33
1.5.2 Влияния технологических параметров на свойства покрытий …………. 36
1.5.3 Состав электролита и его влияние на свойства биопокрытий ………….. 38
2 Материалы и методы исследования …………………………………………………………. 40
2.1 Нанесение покрытий методом МДО …………………………………………………… 40
2.1.1 Установка Micro-Arc 3.0 ……………………………………………………………….. 40
2.1.2 Выбор режима и параметров процесса МДО ………………………………….. 41
2.1.3 Разработка состава электролита …………………………………………………….. 41
2.1.4 Подготовка образцов Mg сплава для нанесения покрытий методом
МДО …………………………………………………………………………………………………… 42
2.1.5 Обработка методом импульсного электронного облучения …………….. 43
2.1.6 Исследование морфологии поверхности и химического состава
покрытий методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) …………….. 45
2.1.7 Определение фазового состава методом рентгенофазового анализа
(РФА) ………………………………………………………………………………………………….. 47
2.1.8 Исследование адгезионной прочности при помощи
склерометрического метода. …………………………………………………………………. 50
2.1.9 Определение коррозионной стойкости сплава Mg0.8Ca и
кальцийфосфатных покрытий на поверхности сплава Mg0.8Ca ………………. 52
3 Экспериментальная часть. Результаты и обсуждения ………………………………. 53
3.1 Исследование толщины, массы, шероховатости покрытий …………………… 55
3.2 Импульсное электронное облучение биопокрытий на магниевом сплаве
Mg0.8Ca…………………………………………………………………………………………………. 56
3.3 Исследование морфологии поверхности биопокрытий на магниевом
сплаве Mg0.8Ca методом РЭМ. ……………………………………………………………….. 57
3.4 Определение фазового состава биопокрытий методом
рентгеноструктурного анализа. ……………………………………………………………….. 60
3.5 Исследование адгезионной прочности кальцийфосфатных покрытий на
поверхности магниевого сплава. ……………………………………………………………… 61
3.6 Исследование коррозионной стойкости сплава Mg0.8Ca и
кальцийфосфатных покрытий на поверхности сплава ……………………………….. 62
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 66
4.1Предпроектный анализ ……………………………………………………………………….. 66
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………… 66
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения…………………………………………. 66
4.1.3. SWOT-анализ ……………………………………………………………………………… 68
4.2. Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………….. 74
4.5 Планирование управления научно-техническим проектом …………………… 79
4.5.1 Иерархическая структура работ проекта ………………………………………… 79
4.6.1 План проекта ……………………………………………………………………………….. 80
4.7. Бюджет научного исследования ………………………………………………………… 83
4.7.1 Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ 85
4.7.2 Основная заработная плата …………………………………………………………… 86
4.7.3 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала…………………………………………………………………………………………….. 86
4.7.4 Отчисления на социальные нужды ………………………………………………… 87
4.7.5 Организационная структура проекта ……………………………………………… 87
4.8 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ……………………… 88
4.8.1 Динамические методы экономической оценки инвестиций …………….. 89
4.8.2 Чистая текущая стоимость ( NPV ) ………………………………………………… 89
4.8.3 Дисконтированный срок окупаемости……………………………………………. 91
4.8.4 Внутренняя ставка доходности (IRR) …………………………………………….. 92
4.9 Индекс доходности (рентабельности) инвестиций ( PI ) ………………………. 94
4.10 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………………… 95
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 100
Введение ……………………………………………………………………………………………… 100
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 101
5.1.1 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя…………………………………………………………………………………….. 102
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 105
5.3 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия опасных и
вредных факторов на исследователя ………………………………………………………. 106
5.3.1 Недостаточная освещенность рабочей зоны …………………………………. 107
5.3.2 Отклонение показателей микроклимата в закрытом помещении ……. 110
5.3.3 Повышенный уровень электромагнитного излучения……………………. 112
5.3.4 Повышенный уровень шума………………………………………………………… 114
5.3.5 Повышенная температура поверхностей оборудования, изделий …… 114
5.3.6 Повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание
которой может произойти через тело человека …………………………………….. 115
5.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………….. 118
5.5 Безопасность при чрезвычайных ситуациях ………………………………………. 119
Заключение …………………………………………………………………………………………….. 121
Список использованных источников: ……………………………………………………….. 122
Приложение A ………………………………………………………………………………………… 129

В ходе работы, которая проходила в лаборатории физики наноструктурных
биокомпозитов ИФПМ СО РАН, была проведена работа по исследованию
свойств кальцийфосфатных покрытий, нанесенных методом микродугового
оксидирования при обработке импульсным электронным облучением.
В результате проделанной работы, были выбраны оптимальные параметры
для нанесения кальцийфосфатных покрытий методом МДО на магниевые
сплавы, а также изучены два режима в воздействия ИЭО на исходный магниевый
сплав. В следствии чего, можно сделать следующие выводы:
1) Были выбраны оптимальные параметры процесса МДО и сформированы
кальцийфосфатные покрытия на сплаве Mg0.8Ca с толщиной 40 мкм,
шероховатостью 4 мкм;
2) Покрытия были обработаны методом ИЭО при использовании двух
режимов (при плотности энергии 5 Дж/см2 и 10 Дж/см2);
3) При обработке покрытия ИЭО кальцийфосфатных покрытий происходит
расплавление частиц ТКФ и обогащение поверхности Ca, P, Mg в результате
диффузионных процессов;
4) При плотности энергии 5Дж/см2 происходит формирование
дополнительной кристаллической фазs MgO. При дальнейшем увеличении
плотности энергии 10 Дж/см2 происходит полная аморфизация кристаллической
структуры;
5) По скорости биорезорбции модифицированные образцы не отличаются
от исходного образца, не подвергнутому ИЭО.
6) Адгезионные свойства покрытия при плотности энергии 5 Дж/см 2
падают за счет формирования напряжения и трещин в локальных зонах, между
сплавленным и пористым слоем, но при плотности энергии 10 Дж/см2, покрытие
по адгезионным свойствам сравнимы с исходным покрытием.