Формирование микродуговых силикатно-фосфатных покрытий на биорезорбируемом сплаве Mg0.8Ca

Объектом исследования являются силикатные и силикатно-фосфатные покрытия, нанесенные при различных параметрах процесса микродугового оксидирования в электролитах щелочного состава с дисперсными фазами. Цель работы – создание силикатных и силикатно-фосфатных покрытий на сплаве Mg0.8Ca и выявление закономерностей формирования структуры и
фазового состава покрытий.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 15
1. Материалы медицинского назначения ……………………………………………………. 17
1.1 Требования, предъявляемые к имплантируемым материалам ……………. 17
1.2 Классификация материалов медицинского назначения ……………………… 18
1.3 Биорезорбируемые материалы ………………………………………………………….. 20
1.3.1 Полимерные материалы………………………………………………………………. 21
1.3.2 Магний и его сплавы …………………………………………………………………… 22
1.3.3 Керамика на основе фосфатов и силикатов кальция …………………….. 28
1.3.4 Керамические материалы системы MgO-CaO-SiO2 ……………………… 31
1.4 Процесс формирование апатита на поверхности силикатной керамики 34
1.5 Био-нанокомпозитные покрытия ………………………………………………………. 36
1.6 Модифицирование поверхности путем нанесения биопокрытий ……….. 37
1.7 Получение биосовместимых покрытий методом микродугового
оксидирования ………………………………………………………………………………………….. 40
2. Объект и методы исследования ………………………………………………………………. 47
2.1 Подготовка образцов сплава Mg0.8Ca для нанесения покрытий ………… 47
2.2 Нанесение покрытий методом МДО …………………………………………………. 47
2.2.1 Установка для нанесения покрытий методом МДО ……………………… 47
2.2.2 Разработка состава электролитов для нанесения микродуговых
покрытий ……………………………………………………………………………………………….. 49
2.2.3 Режим и параметры формирования КФ биопокрытий ………………….. 49
2.3 Исследование морфологии поверхности и элементного состава
покрытий методом растровой электронной микроскопии ………………………….. 50
2.4 Исследование фазового состава и микроструктуры покрытий методами
рентгенофазового анализа …………………………………………………………………………. 51
2.5 Исследование микроструктуры и фазового состава методом
просвечивающей электронной микроскопии ……………………………………………… 52
2.6 Исследование структуры покрытий методом ИК-спектроскопии ………. 52
2.7 Исследование биорезорбции микродуговых покрытий ……………………… 53
2.8 Исследование цитотоксичности микродуговых покрытий …………………. 54
3. Результаты исследований……………………………………………………………………….. 55
3.1 Закономерности формирования структуры микродуговых покрытий … 55
3.1.1 Плотность тока в процессе формирования МДО покрытий………….. 55
3.1.2 Толщина микродуговых покрытий………………………………………………. 56
3.1.3 Морфология поверхности и поперечных сечений МДО покрытий.. 57
3.2 Закономерности формирования фазового состава покрытий в
зависимости от параметров процесса МДО и состава электролита …………….. 60
3.2.1 Элементный состав покрытий методом энергодисперсионного
анализа ………………………………………………………………………………………………….. 60
3.2.2 Фазовый состав покрытий …………………………………………………………… 65
3.2.3 Микроструктура и фазовый состав покрытий методом
просвечивающей электронной микроскопии…………………………………………… 66
3.2.4 ИК-спектры микродуговых покрытий …………………………………………. 70
3.3 Биорезорбция МДО-покрытий ………………………………………………………….. 71
3.4 Цитотоксичность силикатных и силикатно-фосфатных покрытий …….. 73
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 75
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения …………………………………………………………………………………… 75
4.2 Потенциальные потребители…………………………………………………………….. 76
4.3 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………. 76
4.4 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………… 78
4.6 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………………. 81
4.7 Разработка графика проведения научного исследования …………………… 82
4.8 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………… 85
4.9 Расчет материальных затрат НТИ……………………………………………………… 85
4.10 Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ ………. 86
4.11 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………… 87
4.12 Отчисления во внебюджетные фонды ………………………………………………. 89
4.13 Накладные расходы ………………………………………………………………………….. 90
4.14 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта …. 90
4.15 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования …… 91
4.16 Выводы по разделу финансовый менеджмент …………………………………… 93
5. Социальная ответственность ………………………………………………………………….. 95
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 96
5.1.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства …………………………………………. 96
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны……. 98
5.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования ………………………………………………………………………………………….. 101
5.3 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 108
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………… 109
5.4.1 Техногенная безопасность…………………………………………………………. 109
5.4.2 Безопасность при природных чрезвычайных ситуациях …………….. 111
5.5 Выводы по разделу социальная ответственность …………………………….. 112
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 113
Список литературы ……………………………………………………………………………………. 114

В результате выпускной квалификационной работы были разработаны
оптимальные режим, параметры процесса МДО и составы электролитов для
получения силикатных и силикатно-фосфатных покрытий на сплаве Mg0.8Ca.
Были выявлены закономерности формирования структуры и фазового
состава обоих типов покрытий, где обнаружено, что повышение напряжения
процесса от 350 до 500 В способствует росту начальных значений плотности –
от 0,6 до 1,5 А/см2 для Si-покрытий; от 0,25 А/см2 – Si-P-покрытий; увеличению
толщины от 40 до 150 мкм и от 20 до 110 мкм, соответственно для Si-, и Si-P-
покрытий.
В процессе МДО на поверхности покрытий формируется слой из
осажденных кристаллов волластонита и трикальцийфосфата (в случае Si-P-
покрытий). Силикатные и гибридные покрытия обладают пористой структурой
как на поверхности, так и в объеме.
В результате высокотемпературных плазмохимических реакций в
области микродуговых разрядов происходят полиморфные превращения с
образованием высокотемпературных модификаций исходных кристаллических
фаз и образование новых сложных соединений.
Также было выявлено, что Si-P-покрытия показывают большую
коррозионную стойкость, но при этом, Si-покрытия проявляют меньшую
цитотоксичность.