Исследователи Томского государственного университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Токай (Япония) изучили, как нагрев на воздухе меняет поверхность никелида титана — сплава с эффектом памяти формы, который широко применяется в медицинских изделиях. Учёные доказали, что для таких материалов важно не просто сформировать оксидную плёнку, а контролировать состояние поверхностного слоя в целом — его химический состав, рельеф, однородность и распределение фаз. Именно эти параметры определяют, каким будет поверхностный барьер между сплавом и физиологической средой. В частности, выявлено, что при нагреве до высоких температур (порядка 450-500°С) поверхность сплава становится более однородной по своему составу.
Никелид титана (TiNi) используют в медицинских конструкциях благодаря сочетанию сверхэластичности и эффекта памяти формы. Материал способен деформироваться и возвращаться к заданной форме, поэтому он востребован там, где изделие должно сохранять работоспособность при нагрузках. Однако для медицинского применения важны не только механические свойства сплава, но и его поверхность, которая контактирует с физиологической средой.
Даже если материал обладает хорошими механическими свойствами, его долговременная работа во многом зависит от состояния поверхностного слоя, — объясняет исполнитель проекта, младший научный сотрудник лаборатории медицинского материаловедения, аспирант физического факультета ТГУ Елена Большевич. — У сплавов на основе TiNi на поверхности формируется естественный пассивный оксидный слой, но его свойства не всегда оптимальны. Термическая обработка на воздухе позволяет направленно модифицировать этот слой: управлять его однородностью, рельефом и фазовым составом — то есть теми характеристиками, которые важны при контакте с физиологической средой.
В работе исследователи обработали образцы литого TiNi в нескольких температурных режимах и проследили, как нагрев влияет на состояние поверхности. Изучался не только внешний вид образцов, но и микрорельеф, элементный состав и фазовое строение оксидного слоя.
Эксперимент показал: чем выше температура нагрева, тем поверхность TiNi окисляется сильнее. Но это не означает автоматического улучшения её свойств. При умеренной обработке формируется более благоприятное состояние поверхности, тогда как при более интенсивном нагреве рельеф становится выраженным и неоднородным. Именно поэтому, подчёркивает команда проекта, при выборе режима обработки нельзя ориентироваться только на степень окисления.
Можно было бы ожидать, что чем больше оксида образуется на поверхности, тем лучше будет защитный эффект. Но наши результаты показывают более сложную картину: важна не только степень окисления, но и то, как устроен сформировавшийся слой, — поясняет Елена Большевич.
Отдельное внимание учёные уделили фазовому составу оксидного слоя. На поверхности TiNi могут формироваться разные формы диоксида титана, в том числе анатаз и рутил. Дополнительные анализы показали, что при нагреве до высоких температур поверхность сплава становится более однородной по своему составу — в ней преобладает одна из стабильных форм диоксида титана.
Исследование открывает возможности для выбора режимов обработки TiNi, когда важно получить не случайно сформированную, а предсказуемую и стабильную поверхность, устойчивую при контакте с физиологической средой.
Статья принята к публикации в журнале Surface and Interfaces (Q1, IF 6). Исследование поддержано Программой развития Томского государственного университета в рамках федеральной программы «Приоритет 2030».
Источник: Минобрнауки России
