Исследование структуры и свойств слоистых материалов «оксидная керамика–стекло»

Объектом исследования является переходная зона, возникающая при формировании стеклокристаллического слоя на границе между корундовой керамикой и стеклом марки ХЛС 2.
Целью работы является изучение переходного слоя на границе керамика/стекло.
В процессе исследования проводилась оптическая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, анализ пористости. В результате исследования был установлен фазовый состав и свойства структуры керамических слоистых материалов Al2O3/ стекло ХЛС 2, определено влияние количества слоев стекла на структуру и свойства корундовой керамики.
Область применения: исследуемые материалы имеют перспективы в применении в технологии слоистых материалов в имплантационной медицине и в областях машиностроения.

Реферат …………………………………………………………………………………………………………. 5
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки ………………………. 6
ОГЛАВЛЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 8
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 11
1 Керамические материалы для биомедицинского применения …………………. 12
1.1 Анализ имплантационных материалов …………………………………………… 12
1.2 Биоинертные материалы на основе оксида алюминия …………………….. 15
1.3 Биоактивные стекла……………………………………………………………………….. 18
1.4 Нанесение биоактивного покрытия на биоинертную подложку………. 19
1.5 Износостойкость имплантационных материалов ……………………………. 27
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………………………… 32
2.1 Оптическая микроскопия……………………………………………………………….. 33
2.2 Гидростатическое взвешивание ……………………………………………………… 38
2.3 Растровая микроскопия………………………………………………………………….. 39
2.4 Рентгеноструктурный анализ …………………………………………………………. 41
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ НА ГРАНИЦЕ СЛОИСТОГО
МАТЕРИАЛА «КЕРАМИКА-СТЕКЛО» ……………………………………………………… 45
3.1 Изучение морфологии слоя методом оптической микроскопии………. 45
3.2 Анализ пористости ………………………………………………………………………… 53
3.3 Растровая микроскопия………………………………………………………………….. 53
3.4 Рентгенофазовый анализ ……………………………………………………………….. 55
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ…………………………………………………………………………….. 61
4.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………….. 61
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования…………………. 61
4.1.2 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 62
4.1.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………… 63
4.1.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………………………. 65
4.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………….. 66
4.2.1 Цели и результаты проекта…………………………………………………………….. 66
4.2.2 Организационная структура проекта ……………………………………………… 67
4.2.1 Ограничения и допущения проекта ………………………………………………… 67
4.3 Планирование научно-исследовательских работ …………………………….. 68
4.3.1 Иерархическая структура работы …………………………………………………… 68
4.3.2 Структура работ в рамках научного исследования …………………………. 68
4.3.3 Контрольные события проекта ………………………………………………………. 69
4.3.4 План проекта …………………………………………………………………………………. 70
4.4 Составление сметы затрат ……………………………………………………………… 71
4.4.1 Затраты на амортизацию оборудования………………………………………….. 71
4.4.2 Затраты на основные и вспомогательные материалы ……………………… 72
4.4.3 Затраты на заработную плату…………………………………………………………. 72
4.4.4 Отчисления на социальные нужды …………………………………………………. 73
4.4.5 Затраты на электроэнергию ……………………………………………………………. 73
4.4.6 Смета затрат на НИР ……………………………………………………………………… 74
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ………………………………………………….. 77
Введение…………………………………………………………………………………………………… 77
5.1 Производственная безопасность ………………………………………………………….. 78
5.1.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования ……………………………………………………………………………………………. 78
5.1.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть в
лаборатории при проведении исследований ………………………………………………. 79
5.1.2.1 Воздействие вредных производственных факторов на человека……… 79
5.1.2.2 Воздействие опасных производственных факторов на человека……… 80
5.1.3 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов ……………………………………………………………………. 81
5.2 Экологическая безопасность ………………………………………………………….. 83
5.2.1 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду …….. 83
5.2.2 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды ……………… 84
5.2.2.1 Защита селитебной зоны………………………………………………………………… 84
5.2.2.2 Защита гидросферы ……………………………………………………………………….. 84
5.2.2.3 Защита литосферы …………………………………………………………………………. 84
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 85
5.3.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………………. 85
5.3.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС …………………………………………… 86
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …. 89
5.4.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя)
правовые нормы трудового законодательства ……………………………………………. 89
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя …………………………………………………………………………………………… 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 92
Список публикаций студента ……………………………………………………………………….. 93
Список использованных источников ……………………………………………………………. 94
Приложение А …………………………………………………………………………………………….. 97

Получение износостойкого покрытия, позволяющего снизить
шероховатость поверхности, сопряжено с необходимостью повышения
адгезионных свойств покрытия. Дополнительным фактором получения высокой
адгезии стекловидных покрытий к основному материалу является коэффициент
термического расширения (КТР) покрытия, который должен быть несколько
меньше, чем коэффициент теплового расширения у покрываемого металла.
Если КТР поверхности покрытия не удовлетворяет данному условию, то
затвердевание слоя сопровождается растягивающими напряжениями,
приводящими к образованию трещин. Указанные дефекты на образцах могут
быть следствием, как несоответствия коэффициента термического расширения,
так и недостаточной адгезии стеклокристаллического материала к
керамической подложке. Решением данной проблемы может быть нанесение
промежуточного покрытия, которое должно обладать высокой адгезией и с
керамической подложкой и верхним стеклянным покрытием.
В ходе лабораторной практики моим заданием было изготовление
шлифов образцов керамики с нанесенным слоем стекла. Лабораторная практика
проводилась в рамках проекта, финансированного ЗАО «НЭВЗ КЕРАМИКС»
(cоглашение 14.607.21.0069). Благодаря работе над выпускной
квалификационной работой получила представление о работе лаборатории.
Кроме практических навыков работы с оборудованием для анализа
структуры, также приобрела теоретические знания о видах оптического анализа
веществ.
Список публикаций студента

Кан Ю. В. Износостойкость оксидной керамики для эндопротезирования
/ Ю. В. Кан ; науч. рук. С. Н. Кульков // Высокие технологии в современной
науке и технике (ВТСНТ-2016) : сборник научных трудов V Международной
научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, г.
Томск, 5–7 декабря 2016 г. — Томск : STT, 2016. — [С. 102-103].

1. Тузаходжаев Ф. А., Загородний Н. В., Магомедов Х. М., Калашников С.
А.Опытпримененияпарытрениякерамика-полиэтиленв
эндопротезирова-ниитазобедренногосустава//Редакцияжурнала
«Клиническая практика». – 2015. – № 1 (21).
2. Kuntz M. Validation of a new high performance alumina matrix composite for
use in total joint replacement// Semin. Arthroplasty. – 2006. – P. 141–145.
3. W. Mark Rainforth, Peng Zeng, Le Ma, Akemi Nogiwa Valdez, Todd Stewart.
Dynamic surface microstructural changes during tribological contact that
determine the wear behavior of hip prostheses: metals and ceramics// The
Royal Society of Chemistry. –2012. – №156. ‒ С. 41‒57.
4. Baino F., Minguella J., Kirk N., Montealegre M.A., Fiaschi C., Korkusuz F.,
Orlygsson G., Vitale-Brovarone C., Novel Full-Ceramic Monoblock
Acetabular Cup with a Bioactive Trabecular Coating: Design, Fabrication and
Characterization, Ceram Int 2016, 42, 6833-6845
5. Fu Q., Saiz E., Rahaman M.N., Tomsia A.P., Bioactive Glass Scaffolds for
Bone Tissue Engineering: State of the Art and Future Perspectives, Mater. Sci.
Eng. C. − 2011. − № 31. − С.1245-1256.
6. Григорьев М. В. Исследование механических свойств корундовой
керамики при изменении пористости и размеров кристаллитов // Журнал
Сибирского федерального университета. − 2011. − № 4. − С.113-120.
7. Путляев B. И. Современные биокерамические материалы / B. И. Путляев
// Соросовский образовательный журнал. – 2004. – т. 8. – №1. – С.44-50.
8. Григорьев М. В,, Кульков С. Н. Синтез керамических материалов с
заданными структурой и свойствами для биомедицинского применения. //
МатериалыIII Международной конференции«Новые технологии
создания и применения биокерамики в восстановительной медицине», 7-9
октября 2013 г., Томск, Россия: ТПУ. – 2013. – С. 47-52.
9. Rahaman M.N., Day D.E., Bal B.S., Fu Q., Jung S.B., Bonewald L.F., et al.,
Bioactive Glass in Tissue Engineering, Acta Biomater. − 2011 − №7 − P.
2355-2373.
10.Kirsten, A., Hausmann, A., Weber, M., Fischer, J., Fischer, H. Bioactive and
thermally compatible glass coating on zirconia dental implants. J Dent Res. −
2015. − P. 297–303.
11.Медков М.А., Грищенко Д.Н. Получение биоактивных материалов
медицинского назначения// Труды Кольского научного центра РАН.−
2015.− С. 409-413.
12.X. Miao, Y. Hu, J. Liu, X. Huang. Hydroxyapatite coating on porous zirconia /
// Materials Science and Engineering. – 2007. – Vol. 27 . – № 2. – Р. 257-261.
13.Baino F., Verné, E., Glass-based coatings on biomedical implants: a state-of-
the-art review. Biomed. Glass 3. – 2017 – Р. 1-17.
14.Jongee Park, Sang-hee Yoo, Dong-woo Shin, Abdullah Ozturk. Tribological
behavior of alumina-added apatite-wollastonite glass-ceramics in simulated
body fluid, Materials Chemistry and Physics. – 2010. – № 124. – P. 113-119.
15.Медков М. А., Грищенко Д. Н., Руднев И. С., Курявый В. Г., Гордиенко
П. С. Формирование стеклокерамических покрытий на биоинертных
подложках // Стекло и керамика. –2013. – №11. – С. 38–42.
16.Hoseini М., Jedenmalmb A., Boldizar A. Tribological investigation of coatings
for artificial joints// Wear. – T. 264 – C. 958–966.
17.ДроздовЮ.Н.,НаумоваН.М.,ТанановМ.А.,НазароваТ.И.
Износостойкость технической керамики// Информатизация и связь. –
2009. – №4. – С. 79–82.
18.Ваулина О. Ю. Лабораторный практикум: Метод, указ. по выполнению
лаб. работы по курсу.”Общеематериаловедениеитехнология
материалов”для студентовнаправления150100
«Материаловедение и технологии материалов».− Томск: Изд. ТПУ.−
2012.
19.Кульков С. Н., Буякова С. П. Современные методы структурного анализа
вматериаловедении:учебноепособие//Национальныйисследова-
тельский. Томский политехнический университет (ТПУ). − Томск: Изд-во
ТПУ, 2011. − 84 с.
20.Ложкомоев А.С., Казанцев С.О., Глазкова Е.А., Бакина О.В., Сваровская
Н.В. Фоменко А.Н., Коровин М.С. Влияние температуры прокаливания
псевдобемита на фазовый состав, заряд поверхности и пролиферацию
клеток// международная конференция. Перспективные материалы с
иерархическойструктуройдляновыхтехнологийинадежных
конструкций.− Томск.−2015.
21.Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение:
учебно-методическое пособие / Н.А. Гаврикова, Л.Р. Тухватулина, И.Г.
Видяев, Г.Н. Серикова, Н.В. Шаповалова; Томский политехнический
университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета,
2014. – 73 с.