Ученые создали композит с невиданными свойствами

10:56, 17 февраля 2021

Полученный материал — один из лучших для производства костных имплантов

Фотография поверхности излома титана-магния после испытания на сжатие. Отчетливо видна деформация фаз по границам раздела. Фото: Scripta Materialia.

Ученые Уральского федерального университета, университетов Германии, Южной Кореи и Японии разработали новый класс материалов на основе магния и титана. Материал обладает необычной комбинацией свойств — повышенной прочностью и очень низким модулем Юнга (модулем упругости). Ученые также открыли новый механизм регулирования значения модуля упругости в подобных материалах. Работа создает перспективу использования полученных композитов и других модифицированных материалов в производстве высококачественных имплантов. Статья с описанием исследования опубликована в журнале Scripta Materialia (приложение к журналу Acta Materialia, одному из ведущих международных изданий, посвященных вопросам материаловедения).

«Модуль упругости типичных композитов представляет собой примерно среднее от модуля упругости каждого из двух материалов, из которых он состоит, с учетом их объемной доли в составе композита. Изучая свойства полученных нами материалов из магния и титана, мы обнаружили, что в этом случае данное правило не работает. У магния модуль упругости — 45 гигапаскалей, у титана — 110 гигапаскалей, у композитного материала — 17,6 — меньше, чем у магниевой фазы с наименьшим модулем упругости. Это привело нас в недоумение, ничего подобного мы еще не видели», — рассказывает Илья Окулов, участник исследовательской группы, научный сотрудник УрФУ, Бременского университета и Института материаловедения имени Лейбница (Германия), Университета Тохоку (Япония).

Стремясь объяснить аномалию, ученые выдвинули гипотезу, что столь существенное снижение модуля упругости вызвано уникальным состоянием интерфейса. Это область контакта двух фаз, магниевой и титановой. Данные вещества несмешиваемы и не создают совместных фаз при равновесных условиях, то есть медленной скорости охлаждения (процесс создания композита протекает при температуре 700–800 ℃). Во время механических испытаний этого композитного материала наблюдается локальное скольжение одной фазы относительно другой. Цифровые эксперименты, проведенные на компьютерной модели композита, подтвердили справедливость предположения ученых об определяющей роли интерфейса.

«В процессе создания композита фаза магния находится в жидком, расплавленном состоянии, а титановая фаза — в твердом. При охлаждении композита фаза магния затвердевает. При этом объем магния последовательно уменьшается, что должно привести к образованию пор. В нашей модели мы распределили поры — пустоты — вдоль границы фаз — интерфейса. Присутствие пор в зоне интерфейса ослабляет его, и это ведет к значительному уменьшению модуля упругости, что мы и наблюдали при моделировании», — отмечает Илья Окулов.

Такой способ получения пористого композита применен впервые. Наиболее очевидная сфера использования низкомодульных композитов — производство биомедицинских имплантов, обеспечивающих быстрое заживление костных тканей.

«Проблема в том, что, реагируя на присутствие импланта, который забирает на себя часть нагрузки на восстанавливающуюся кость, организм „решает“, что в данной его локации не нужно „лишней“ костной ткани, и с помощью специальных клеток начинает ее разрушать. Данное явление называется эффектом экранирования напряжений. Вследствие этого имплант может сместиться или даже деформироваться, и потребуется повторная операция. Поэтому для полноценного и скорейшего лечения костей требуются материалы, свойства упругости которых сопоставимы с упругостью костей. Модуль Юнга созданного нами композита находится в диапазоне значений, соответствующих характеристикам человеческой кости, это позволяет использовать наш материал в медицинских целях», — добавляет Илья Окулов.