Материалы для современной медицины

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Материалы для современной медицины

В.Н. Канюков, А.Д. Стрекаловская, В.И. Килькинов, Н.В. Базарова

Оренбург 2004



ББК 34.7 я7 М 34 УДК 615.47 (07)

Рецензент

Генеральный директор ГУП ОПТФ «Медтехника» В.П. Макаренко

В.Н. Канюков, А.Д. Стрекаловская, В.И. Килькинов,

Н.В. Базарова

М 34 Материалы для современной медицины: Учебное пособие. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 113с.

ТББК

Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности «Инженерное дело в медико-биологической практике»

В пособии рассмотрены физико-химические свойства, сравнительные характеристики и области применения материалов для современной медицины.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности 190600, при изучении дисциплины «Органические композиционные материалы в медицине», а так же для занимающихся проблемой разработки медицинских инструментов, изделий медицинской техники, кратковременно или длительно заменяющих функции человеческих органов.

ББК 34.7 я7

1ББК © Канюков В.Н., Стрекаловская

А.Д.,

Килькинов В.И., Базарова Н.В., 2004 © ГОУ ОГУ, 2004



Введение

Наше общество вступило в период, который все чаще называют эрой новых технологий и новых материалов. Грандиозные достижения фундаментальной науки, небывалая интеграция науки и техники стали катализаторами изменений, происходящих в нашей жизни, и это, в большей степени, относится к конструкционным и функциональным материалам, которые и создают окружающий нас материальный мир. Медицина в отличие от других областей знаний и практики, в наибольшей степени использует все то, что создали современная наука и производство. С другой стороны, именно медицина, как никто другой, в решении проблем сохранения жизни и здоровья людей, постоянно ставит задачи перед различными отраслями науки и техники. Особенно это касается средств воздействия на отдельные органы человека, временного или длительного замещения их функций.

Основополагающей, в этом случае, является задача применения существующих и создания современных материалов для разработки новых технологий и производства более качественных изделий медицинской техники. Чем больше медицина проникает вглубь человеческого организма, познает его законы на клеточном и генетическом уровнях, тем больше возникает потребность в использовании существующих и создании новых материалов, совместимых с отдельными органами человека, не оказывающих вредного влияния на его здоровье. В современной медицине используются изделия из материалов, создаваемых в металлургии, химической, нефтяной и газовой промышленности, с применением биохимических, биофизических и генно-инженерных методов. Это металлы и сплавы, пластмассы и полимеры, жидкие кристаллы, композиционные и другие материалы.

Для повышения качества, надежности и экономичности изделий медицинской техники при снижении их материалоемкости разрабатываются высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозийной стойкости, тепло- и хладостойкости сплавов; расширяется производство новых полимерных и композиционных материалов с заданным комплексом свойств; используются эффективные методы обработки материалов и изделий с целью существенного улучшения их свойств.

Поверхностные слои во многом определяют работоспособность деталей машин, поэтому износостойкость и коррозийная стойкость деталей полностью зависят от состояния их поверхности. Применением износостойких покрытий стремятся решить проблему экономии вольфрама в инструментальных сталях, а также повысить работоспособность деталей из конструкционных сталей. ионная имплантация снижает точечную коррозию. Задача создания высокожаростойких и жаропрочных сплавов для новой техники неразрывно связана с разработкой надежных защитных покрытий. Поверхностное легирование приводит к экономии дефицитных металлов, так как в этом случае их требуется меньше, чем при объемном легировании сплавов, с целью получения указанных специфических свойств.

Перед инженером, работающим в сфере производства, эксплуатации и технического обслуживания медицинской техники, часто встает проблема выбора необходимых материалов, решение которой, в первую очередь, определяется информированностью специалиста о материалах, применяемых в медицине, их свойствах (физических, химических, биофизических и биохимических), их совместимости с тканями органов человека и характере воздействия на них.



1. Металлы и сплавы

Задача настоящего пособия - дать научно обоснованную информацию о материалах, применяемых в современной медицине, особенно материалах с заданными свойствами. Известно, что восстановление здоровья людей, функций отдельных органов исторически начиналось с применения природных материалов. По мере развития общества, в медицине стали применяться материалы, создаваемые в процессе деятельности различных отраслей промышленности. В дальнейшем медицина становится заказчиком производства в соответствующих отраслях производства, занимающихся созданием материалов для медицины и медицинской промышленности. От металлов к различным видам неорганических, органических и композиционных материалов - такова история их применения в медицине. Именно в таком историческом аспекте в настоящем учебном пособии представлена информация о материалах для современной медицины.

1.1 Понятие сплавов

Железный инструмент начали применять еще в первом тысячелетии до нашей эры и с тех пор использовали его как для созидания, так и для разрушения. На протяжении 2,5 тысячелетий развитие металлургии характеризуется не только количественным, но и качественным совершенствованием металлических материалов. Известно, что век чистого железа давно миновал, в настоящее время человечество сталкивается с гораздо более широким толкованием железного века, именуемым веком металлов. Появляются стали и сплавы, обладающие новыми механическими свойствами и качественными показателями. Открываются новые свойства известных металлов, создаются сплавы с необычными свойствами.

Методы получения сплавов:

1) метод сплавления - металлические сплавы получают от двух и более металлов, путем сплавления металлов с неметаллами;

2) метод спекания порошков нескольких металлов. Сплавы, полученные методом спекания, обладают более высоким качеством. Элемент, входящий в состав сплава, называется компонентом. Преобладающий в сплаве компонент называется основным. Компонент, вводимый в сплав для придания нужных свойств, называется легирующим. Совокупность элементов сплава называется системой.

Сплавы классифицируют:

- по числу компонентов - на двойные (бинарные), тройные, четверные и многокомпонентные;

- по основному элементу - железистые, алюминиевые, магниевые, титановые, медные;

- по применению - конструкционные, инструментальные, жаропрочные, антифрикционные, пружинные, шарикоподшипниковые;

- по плотности - тяжелые (на основе вольфрама, рения, свинца и т.д.) и легкие (на основе алюминия);

- по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий - литейные, деформируемые, спечные, гранулированные, композиционные.

1.2 Понятие о конструктивной прочности металлов (сплавов)

Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротивление действию внешних механических нагрузок. Это определение относится как к металлическим сплавам, так и к другим материалам.

Прочность металла при статическом нагружении - это свойство, определяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стандартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел текучести и временное сопротивление.

Конструктивную прочность материала (металла) характеризует комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации.

Один из путей повышения прочности - это получение многослойных прочных композиционных материалов методом порошковой металлургии, ультразвуковой, магнитной, лазерной обработкой, а также обработкой высоким давлением. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, надежности и долговечности.

Надежность - это способность материала противостоять хрупкому разрушению. Критериями надежности является пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость, хладноломкость.

Долговечность - это способность материала (металла) сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность изготовленной из него детали в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимается способность материала сопротивляться усталости или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок.

Долговечность работы металла (материала) в критериальной форме, прежде всего, выявляет усталостную прочность. Чем лучше обработана поверхность, тем выше предел выносливости материала (изделия), а проведение химико-термической или другой упрочняющей обработки обеспечивает наведение на поверхности остаточных напряжений сжатия, что повышает предел выносливости. Долговечность деталей из того или другого материала лимитируется износом. Долговечность материалов можно повысить путем увеличения прочности.

1) повышением плотности легированной стали (под влиянием углерода);

2) термической обработкой (нагрев, охлаждение);

3) химико-термической обработкой.



1.3 Классификация и маркировка углеродистой стали

Стали, классифицируются по признакам:

1) по химическому составу.

- углеродистые (низкоуглеродистые - содержание углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые - содержание углерода 0,25-0,6 %; высокоуглеродистые - содержание углерода выше 0,6 %);

- легированные (в состав кроме углерода входят такие элементы как вольфрам, медь, кобальт, молибден, титан, хром, цирконий и т.д., для придания стали тех или иных заданных свойств);

2) по назначению:

- конструкционные;

- инструментальные;

- специальные (нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и другие);

3) по качеству:

- обыкновенные (до 0,06 % Б; 0,07 % Р);

- качественные (до 0,035 % Б; 0,035 % Р);

- высококачественные (не более 0,025 % Б; 0,025 % Р);

- особовысококачественные (не более 0,015 % Б; 0,25 % Р).

Маркировка

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами и цифрами Ст0,...,Ст6 (Ст - сталь, 0-6 условный номер марки) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в составе стали, соответственно выше прочность и ниже пластичность. В зависимости от гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества делят на три группы:

1) А (в маркировке стали не указывается) - гарантированные механические свойства;

2) Б - гарантируемые химические свойства;

3) В - гарантируемые химические и механические свойства.

Степень раскисления - обозначается индексом, стоящим справа от номера марки: КП - кипящая сталь, ПС - полуспокойная сталь, СП - спокойная сталь. Например: сталь Ст1КП - сталь группы А, кипящая; БСт3СП - сталь группы Б, спокойная; ВСт5ПС - сталь группы В, полуспокойная и т.д.

К качественным углеродистым конструкционным сталям предъявляют повышенные требования по химическим и механическим свойствам.

Конструкционные качественные стали можно разделить на следующие группы:

1. группа - низкоуглеродистые листовые стали (05КП, 08,08КП, 10, 10КП) без термической обработки, хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Используются для производства мало нагруженных деталей машин, крепежных изделий, а также сварных конструкций. Пример: метизы, шайбы, скобы и др.

2. группа - (15, 20, 25) низкоуглеродистые стали - хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Используются для неответственных деталей машин, без термической обработки или в нормальном состоянии, в деталях с повышенной износостойкостью (после цементации) и соответствующей термической обработкой, но не подвергающихся высокой нагрузке. Пример: кронштейны, пальцы и др.

3. группа - (самая значительная) среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50) - подвергающиеся термической обработке. Хорошо обрабатываются на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Применяются в ответственных деталях машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

4. группа - высокоуглеродистые стали (60, 65, 70, 75, 80, 85). После термической обработки приобретают высокую прочность, износостойкость и упругость. Из них делают пружины, рессоры, прокатные валики, замковые шайбы.

1.4 Инструментальные стали. Маркировка, свойства и область применения

К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовления штампового, режущего, измерительного и другого инструмента.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь марки У12 (содержит 1,2 % С), для обозначения высокого качества в конце ставится буква А, а затем на особовысококачественных ставится буква Ш.

В маркировке специальных марок стали:

1) А - обозначает автоматную сталь (А30);

2) Р - быстрорежущую сталь (Р12);

3) Ш - шарикоподшипниковую (ШХ15);

4) Э - электротехническую и т.д.

Инструментальные стали делят на углеродистые, легированные, быстрорежущие.

К качественным углеродистым инструментальным сталям относится сталь марок У7 - У13. Из сталей этих марок изготавливают несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготавливают из сталей марок У7А - У13А. Для прочности сталь закаливают в воде при температуре 770 - 810 °С.

Легированные углеродистые стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначное число, стоящее в начале марки, соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на наличие легирующих элементов: Б - ЛЬ, В - №, Г - Мп, Д - Си, Е - К - Со, М - Мо, Н - М, П - Р, Р - В, С - ЈЬ, Т - ТЬ, Ф - V, Х - Сг, Ц - Zr, Ч - редкоземельный элемент, Ю - А1. Число, стоящее после буквы, показывает примерное процентное содержание легирующего элемента, символизируемого буквой. Отсутствие числа указывает, что среднее содержание соответствующего элемента не превышает 1,0 - 1,5 %. Буква А в конце марки показывает, что сталь

высококачественная (А внутри марки соответствует легирующему элементу - азоту), буква Ш - особовысококачественная. Например, сплав марки 20ХН3А - конструкционная высококачественная сталь, содержащая (в среднем) 0,20 % С, 3 % N1 и не более 1,5 % Сг.

«А» в начале марки, указывает, что сталь автоматная, т.е. обладающая хорошей обрабатываемостью резанием. Такие стали имеют повышенное содержание серы. Кроме того, они могут быть дополнительно легированы свинцом, селеном или кальцием.

Легированные инструментальные стали обычно маркируют однозначным числом, указывающим на среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента, и буквами, обозначающими легирующие элементы. После закалки легированные инструментальные стали, имеют твердость от 62 ИЯС_Э до 64 ИЯС_Э. Их отличает повышенная вязкость, меньшая склонность к деформациям, трещинообразованию. Из стали марок 9ХС, ХВГ, В1,

ХВ5 изготавливают инструменты сложной конфигурации для конструкторских целей.

Быстрорежущие стали используют для изготовления режущего инструмента, используемого на металлообрабатывающем оборудовании с высокими скоростями . В их состав входят карбидообразующие элементы такие, как ванадий, кобальт, молибден, хром, вольфрам.

В сталях марок Р6, Р9, Р12, Р18 цифра после буквы указывает на процентное содержание вольфрама (чем больше процентное содержание, тем качество стали лучше).

1.5 Стали и сплавы с особыми свойствами

По электрическим свойствам материалы могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками.

Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости, криопроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электросопротивлением.

Среди металлов высокой проводимости широко распространены медь (удельное сопротивление р = 0,017 мкОм * м), алюминий (р = 0,028 мкОм * м) и железо (р = 0,098 мкОм * м). Имеют практическое значение также серебро (р = 0,006 мкОм * м) и золото (р = 0,022 мкОм * м). Железо значительно уступает меди и алюминию по электропроводности, но оно обладает более высокими механическими характеристиками. В качестве проводникового материала железо (низкоуглеродистые стали) применяют в тех случаях, когда прочностные свойства имеют решающее значение.

К криопроводникам относятся материалы, приобретающие при глубоком охлаждении (ниже 100 К) высокую электрическую проводимость, но не переходящие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов является алюминий особой чистоты А 999 (99,999 % А1).

К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением (не менее 0,3 мкОм * м) относятся медноникелевые сплавы: магнанин (МНМц 3-12), константан (МНМц 40-1,5); сплавы на основе никеля: нихромы (Х20Н80, Х15Н60); на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель (0Х23Ю5) и др.

Сплавы высокого электросопротивления (нихромы, фехраль, хромель и др.) применяют для изготовления нагревательных элементов электрических приборов. Рабочие температуры таких сплавов 900 - 1200 ⁰С.

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. Для диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного электрического тока. Важнейшей характеристикой диэлектрических материалов является электрическая прочность. Ферромагнитные материалы в зависимости от конфигурации их петли магнитного гистерезиса подразделяют на маг- нито-твердые и магнито-мягкие.

Магнито-твердые сплавы используют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной (размагничивающей) силой К_с, равной 5,103 - 5,106 А/м, и обладают значительной магнитной энергией, пропорциональной величинам К_с и остаточной магнитной индукции Вг.

Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть использованы углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют, высокоуглеродистые стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХ3, ЕХ5К5 и др.). Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, повышают его коэрцитивную силу и магнитную энергию. Широкое применение получили литые сплавы типа алнико, например ЮНДК15, ЮНДК40Т8АА, обладающие значительно большей коэрцитивной силой и магнитной энергией, чем легированные стали. В качестве материалов постоянных магнитов применяют сплавы системы Бе-№-А1, сплавы на основе редкоземельных металлов (Бт, Рг, У), получаемые методом порошковой металлургии.

Из магнито-мягких сплавов изготавливают электромагниты, магнито- проводы электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и аппаратов. Основные требования, предъявляемые к магнито-мягким материалам - низкая коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи и перемагничивание.

Магнито-мягким материалом является, например техническое железо. Оно обладает достаточно высокой начальной и максимальной магнитной проницаемостью (^_н = 0,3 мГн/м и ^_тах = 9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой (Нс= 64 А/м). Недостатком железа является низкое удельное электросопротивление (р не более 0,1 мкОм * м), обусловливающее значительные тепловые потери, связанные с вихревыми токами, возникающими при перемагничивании. Наиболее широкое распространение в качестве магнито-мягких материалов, работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), получили кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение кремния - увеличение удельного сопротивления стали, и, следовательно, сокращение потерь при перемагничивании.

1.6 Использование сплавов с эффектом памяти формы в медицине

По данным, имеющимся в литературе, в настоящее время в развитых странах мира используют при различных операциях более 2,5 млн. металлических конструкций, вживляемых в организм. Однако крепление их в живом организме производится при помощи различного рода винтов, гаек, спиц, пластин и т.д., что, несомненно, связанно с введением в тело относительно объемных дополнительных инородных элементов. Эти элементы угнетают, а порой и наносят травмы окружающим тканям, оказывая отрицательное влияние на них. Они не всегда дают ожидаемый эффект. Известно, что одним из важных условий для применения любого металлического имплантата является его приспособляемость к окружающим тканям и жидкостям организма.

Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию щадящих имплантатов. Они обладают способностью создавать постоянное по величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени. При исследовании физико-механических свойств костных мягких тканей установлено, что эффект памяти свойственен и живым тканям организма. Разработаны сплавы с памятью формы, что позволило создавать имплантаты с принципиально новыми функциональными свойстами, которые не разрушаются при многократном механическом воздействии, проявляют эластичные свойства и оказывают силовое сопротивление в течении длительного времени. Эти материалы применяют в различных областях медицины, таких как травматология, общая хирургия, стоматология, урология, сосудистая хирургия и т.д.

Проволоке при температуре 450 ⁰С можно придать необходимую форму (например, пружины), охладить ее до температуры 10 ⁰С и выпрямить. После введения проволоки в организм она вновь примет заданную ранее форму (пружины), выполняя заданную хирургом функцию. При выпрямлении имплантата из данного материала не при 10 ⁰С , а при 36 ⁰С и выше, он восстановит свою форму без дополнительного нагрева сразу же после снятия деформирующей силы. Таким способом можно скреплять обломки кости.

Разработаны так же имплантаты с памятью формы для ряда способов исправления деформации позвоночника. Они основаны на возможности имплантатов, с памятью формы, оказывать постоянное по величине силовое воздействие на позвоночник в течение всего периода лечения.

Одним из направлений в медицине, где применяются сплавы с памятью формы, является рентгенохирургия сосудов. Операция производится под местным наркозом без применения традиционного скальпеля, используя трубки - катетеры, вводимые внутрь сосуда через тонкие проколы. Наблюдение за движением катетера и проводимыми манипуляциями ведут при помощи рентгенотелевизионной установки. Поэтому этот метод называют рентгеноэндоваску- лярной хирургией («эндо»- внутрь, «васкуляре» - сосуд, перевод с лат.).

Известным фактором является то, что после удаления наростов, бляшек и тромбов с внутренних стенок сосудов и их расширения не исключено, что через некоторое время сосуд вновь сузится. И это обстоятельство привело к мысли о необходимости каким-то образом укрепить стенку сосуда изнутри. Идея такого укрепления сосудов была заимствована из технических наук, а именно из области строительства туннелей, внутренняя полость которых укрепляется железобетонным каркасом. Для создания каркаса сосудов нужен был специальный материал, обладающий биологической совместимостью с тканями организма, пластичностью, прочностью и антикоррозийными свойствами. Таким сплавом оказался нитинол, обладающий памятью формы. Наиболее подходящей формой каркаса оказалась спираль.



2. Лазерная закалка металлических материалов

По рассмотренной выше технологии проволока сворачивалась в спираль диаметром на десятые доли миллиметра больше диаметра сосуда, охлаждалась и выпрямлялась. Затем электрорентгенографом определялось место поражения сосуда, куда под наблюдением вводился катетер, в котором находилась выпрямленная проволока нитинола (протез). После установки протеза на заданное место катетер удаляется. Нить нагревается до температуры крови и сворачивается в спираль, эластично расширяя стенки сосуда. Такой внутрисосудистый протез устанавливается на всю жизнь. Установлено, что через некоторое время после установки протеза на нем вырастает тонкий (около 0,03 мм) слой новой молодой (гранулированной) ткани. Тромбы на этой поверхности не образуются. Пока еще возможности этого метода оперативного вмешательства в сосуды ограничены: оперативное вмешательство производится в случаях, когда длина пораженного участка сосуда не превышает 20 см и не нарушен отток крови из места закупорки. Естественно, этими достижениями применения сплавов с эффектом памяти формы не ограничены. Будет совершенствоваться, и расширяться диапазон их применения в рассмотренных областях, появятся и новые направления, где будут использоваться сплавы с уникальными свойствами.

Одной из лазерных технологий, широко используемых на машиностроительных заводах, является лазерное упрочнение деталей. В результате его применения существенно повышается твердость поверхностных слоев, увеличивается износостойкость и стойкость изделий к коррозии. В отличие от известных способов термообработки с целью объемного упрочнения материала лазерное упрочнение имеет следующие особенности.

Это поверхностный процесс, имеющий большую степень локализации, в силу чего деталь не испытывает искажений формы (коробления). Локальность позволяет реализовать поверхностное упрочнение на строго требуемых участках детали. Скорости нагрева и охлаждения в зоне термического воздействия лазерного облучения велики (достигают около миллиона градусов в секунду). Время выдержки при высокой температуре практически равно нулю. Нагрев может происходить до максимальных температур, превышающих температуру плавления или даже испарения металла.

Наибольшее использование лазерное упрочнение нашло для повышения стойкости режущих инструментов, валков для прокатки и штампов и для повышения износостойкости контактных поверхностей трущихся деталей (например, поршней и цилиндров).

В настоящее время начинает развиваться технология упрочнения за счет лазерного легирования. Одной из проблем лазерного легирования является нахождение эффективных способов предварительного нанесения легирующего элемента на матричную поверхность. Лазерная закалка характеризуется высокотемпературным лазерным нагревом поверхности обрабатываемой детали и последующим быстрым ее охлаждением.

При импульсном лазерном воздействии закаливаемая поверхность детали (инструмента) нагревается за тысячные доли секунды. Излучение поглощается в тонком приповерхностном слое и через очень короткое время за счет теплопроводности металла может проникнуть на глубину порядка 1 мм. При этом основной объем детали остается холодным. После лазерного воздействия (обучения) обработанный участок детали со скоростью до 10 град/с остывает за счет отвода тепла из-за теплопроводности в основной объем металла. Таким образом, в металлах происходят своеобразные (не достижимые традиционными методами) структурные фазовые превращения, приводящие к повышению микротвердости обработанной поверхности, что повышает износостойкость этой поверхности детали.



2.1 Механизмы упрочнения металлов

Под упрочнением материала понимают повышение его сопротивления пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Пластическая деформация обычно связана с движением двумерных структурных дефектов - дислокаций, поэтому физическое понимание упрочнения заключается в затруднении перемещения дислокаций.

Рассматривают следующие механизмы упрочнения:

Решеточное упрочнение. Металлы с кристаллическими решетками разного типа по-разному сопротивляются движению дислокаций (имеют различное напряжение «решеточного трения»). Если чистое железо (объемно- центрированная кристаллическая решетка) деформируется относительно легко, то чистый титан (гексагональная решетка) поддается деформации хуже.

Твердорастворное упрочнение. Это упрочнение металлов, находящихся в твердых растворах, примесями и легирующими элементами, которые искажают кристаллическую решетку, повышая тем самым напряжение трения.

Дислокационное упрочнение. Перемещающиеся дислокации испытывают сдерживающее воздействие со стороны других дислокаций, находящихся в металле.

Зернограничное упрочнение. Сдерживают перемещение дислокаций и границы зерен и субзерен. Чем мельче зерна, тем сила сдерживания больше.

Дисперсионное упрочнение. Частицы других фаз, остающиеся в металле или выделившиеся при распаде пересыщенных твердых растворов, оказывают значительное сопротивление движению дислокаций.

При лазерной обработке реализуются в той или иной степени все указанные механизмы упрочнения. Вклад в упрочнение вносится полиморфными и фазовыми превращениями, которые в условиях быстрого нагрева и охлаждения материала имеют определенные особенности и обладают особыми свойствами.

2.2 Остаточные напряжения в металлах после лазерной обработки

Лазерная обработка приводит к специфическому распределению остаточных напряжений в материале. Причинами этого являются большие скорости нагрева и охлаждения, огромные градиенты температуры, вызванные локализацией нагрева. Остаточными напряжениями называют напряжения, существующие в замкнутой системе при отсутствии внешних моментов и сил. Величина и распределение их таковы, что совокупность всех результирующих сил и моментов, вызванных этими напряжениями, равна нулю, и система находится в состоянии механического равновесия. В зависимости от объема, в котором напряжения уравновешиваются, они называются зональными (макроскопическими) или микроскопическими. Условно можно выделить три причины происхождения напряжений:

-деформационные (напряжения, возникновение которых связано с внешними силами, действующими на систему);

-термические (появляющиеся вследствие температурных градиентов); -структурные (в результате объемных изменений, сопровождающих фазовые превращения).

Напряжения, возникающие в материале при лазерном облучении, в основном связаны с градиентами объемных изменений, причиной которых являются температурные или фазовые изменения. Рассмотрим существующие представления о возникновении напряжений при лазерных обработках. При быстром нагреве поверхности металла наружные слои, расширяясь, испытывают сжимающие напряжения со стороны более холодных внутренних слоев. Если эти напряжения не превосходят предела текучести при температуре нагрева, то при охлаждении металла они нивелируются. Однако, вероятнее всего, что при высокой температуре протекает релаксация напряжений, так как предел текучести сильно снижается. При охлаждении слоев металла, в которых развилась пластическая деформация и прошла релаксация напряжений, происходит их упругое сжатие в большей степени, чем внутренних нагретых слоев, в которых релаксация напряжений не совершалась. В результате этого в поверхностных слоях получаются остаточные напряжения растяжения, а в подповерхностных - сжатия.

Распределение напряжений в материале после лазерной обработки отличается от распределения, которое получается после охлаждения объемно нагретого материала. На всех стадиях лазерной обработки наиболее нагреты поверхностные слои, при охлаждении после объемного нагрева внутренние слои могут иметь более высокую температуру, чем наружные, что вызовет отличающееся распределение остаточных напряжений. При охлаждении после объемного нагрева отвод тепла происходит через поверхность и в полученном распределении остаточных напряжений напряжения на поверхности - сжимающие, в подповерхностных слоях - растягивающие.

Тот факт, что на поверхности однофазного материала после лазерного нагрева получаются растягивающие напряжения, должен приводить к снижению сопротивляемости трещинообразования и, в частности, к ухудшению усталостных свойств.

В материале, испытывающем фазовые превращения, распределения остаточных напряжений могут значительно отличаться от тех, которые получаются в материале без фазовых превращений. Образование мартенсита (фазы с меньшей плотностью) в поверхностных слоях материала при резком охлаждении приводит к появлению остаточных сжимающих напряжений на поверхности, что должно повышать сопротивление образованию трещины.

Для приближенного расчета остаточных напряжений на поверхности изделий может быть использована формула

а = Е (1-Р1/Р2),

где: а - остаточные напряжения;

Е - модуль упругости исходного материала;

Р₁, Р₂ - плотности исходного и конечного состояния материала.

Видно, что для получения сжимающих остаточных напряжения необходимо, чтобы фазовое превращение протекало с уменьшением плотности и что чем больше различие плотностей, тем больше и остаточные напряжения в материале.

2.3 Практика использования лазерного излучения для упрочнения металлов

Лазерное упрочнение производится как на импульсных, так и непрерывных лазерных технологических системах на разной плотности мощности (10-2 10Вт/см ) и относительно большой длительности воздействия (порядка единиц миллисекунд). Оно является сравнительно простой операцией, имеющей ряд преимуществ перед традиционными методами термообработки. К ним относятся: отсутствие потребности в закалочной среде, высокая скорость операции, возможность локального упрочнения и упрочнения поверхностей деталей в труднодоступных местах, регулирование глубины упрочнения, сведение к минимуму деформации обрабатываемых деталей, совмещение двух или нескольких различных режимов термообработки на одной детали, возможность закалки детали в собранном узле и т.д.

К недостаткам лазерного упрочнения можно отнести небольшую глубину упрочнения, нанесение поглощающих покрытий, необходимых в ряде случаев для уменьшения отражательной способности обрабатываемых поверхностей, неэффективность для нагрева больших объемов материала, затруднительность обработки больших площадей.

В большинстве случаев импульсная лазерная закалка применяется для дополнительного поверхностного термоупрочнения режущего и штампового инструментов. Как правило, лазерной закалке подвергаются инструменты, предварительно термообработанные по традиционной технологии и прошедшие последующую финишную операцию. При правильном подборе режимов лазерной обработки, заметного изменения шероховатости поверхности не наблюдается. В результате достигается увеличение стойкости металлорежущих инструментов от 1,5 до 5 раз в зависимости от их типа, марки материала и условий работы.

При необходимости импульсную поверхностную термообработку можно производить и с оплавлением поверхности, что дает увеличение глубины обработки, но требует последующей финишной обработки.

Лазерная закалка установками с непрерывным излучением обычно производится СО₂ - лазерами, а иногда применяют твердотельные лазеры на алюмо-иттриевом гранате. Например, применение СО₂ лазеров для поверхностного упрочнения чугунных деталей позволяет повысить их износостойкость до 5 - 10 раз. Поверхностное упрочнение чугунных деталей с оплавлением поверхностного слоя до 50 мкм увеличивает их долговечность, не ухудшая качества деталей. Этот метод упрочнения нашел применение в автомобилестроении и других отраслях машиностроения.

2.4 Поверхностное лазерное легирование металлических деталей

Повысить эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей деталей машин можно и за счет поверхностного лазерного легирования. Лазерное поверхностное легирование производится следующим образом:

- на легируемую рабочую поверхность детали в необходимой пропорции наносят легирующие элементы в виде порошка и связывающей основы.

- воздействуя лазерным лучом на эту поверхность детали, тонкий ее слой быстро расплавляют, диффундируя в нее легирующие элементы.

- затем происходит весьма быстрое остывание этой поверхности, что обеспечивает однородный по структуре слой основного металла, который содержит легирующие элементы.

Такая поверхностная обработка позволяет изготавливать детали из более дешевой углеродистой стали, чем те же детали, изготовленные целиком из дорогостоящих легированных сталей. Есть сведения о том, что эксперименты, проведенные по поверхностному лазерному легированию дешевых углеродистых сталей углеродом, хромом и другими элементами дают возможность увеличить твердость поверхности с 10 до 65 (по Роквеллу) и улучшить коррозионную стойкость и износостойкость обработанной поверхности.

Для осуществления описываемого процесса необходимо не только нагревание, но и расплавление обрабатываемой поверхности. Поэтому для его реализации требуются большие энергозатраты (в 2-4 раза большая интенсивность лазерного излучения, чем при закалке).

2.5 Лазерное остекловывание

Процесс лазерного остекловывания происходит при быстром плавлении тонкого поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением за счет теплопроводности металла. Процесс реализовывается посредством быстроходного сканирования обрабатываемой поверхности лазерным лучом с плотностью 7 2 4 7 мощности 10 - 10 Вт/см и временем воздействия 10 - 10 с.



3. Неметаллические материалы

Здесь большое значение имеет скорость остывания металла. При указанных режимах обработки поверхности в металлах не успевает произойти кристаллизация. Поэтому расплавленный слой при быстром охлаждении превращается в однородную (аморфную) стеклообразную массу - металлическое стекло. Этот слой обладает высокой твердостью и коррозионной стойкостью, а также стойкостью к истиранию.

К ним относятся пластические, композиционные, резиновые, стеклянные, лакокрасочные материалы, клеи, древесина, керамика, полимеры, минералы. Основной составляющей частью неметаллов являются полимеры - соединения, состоящие из макромолекул, похожих на вытянутые цепочки, отдельные звенья которых представляют собой атомные группировки - мономеры.

Полимеры делят на природные (натуральный каучук, асбест, целлюлоза) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды).

Низкомолекулярные синтетические полимеры (этилен, стирол и др.) получают 3 способами:

1) полимеризация;

2) поликонденсация;

3) химические превращения.

Характерной особенностью полимеров является тепловое, световое, озоновое и атмосферное старение. Процесс самопроизвольного изменения приводит к саморазмягчению и наоборот.

3.1 Минералы

К минералам относятся природные или синтетические вещества, образованные соединением неметаллов с металлами или их окислами, связанными в кристаллической решетке.

Среди минералов, получивших наибольшее распространение в производстве материалов, выделяют кремний, алмаз, корунд и фианит.

I Кремний и его соединения используются для производства стекла, электро- и гидроизоляционных конструкционных материалов, транзисторов и других деталей для радиотехники.

II Алмаз - одна из разновидностей кристаллических полимерных модификаций углерода. Кристаллы бесцветные или с легкой окраской, имеют октаэдрическую форму и образуют кубические сингонии («син» - равный, «гониус» - угол, пер.с греч.).

Существует три разновидности алмазов:

1) Баллас - состоит из мелких лучистых агрегатов, применяется в ювелирном производстве;

2) Карбонадо - тонкозернистые пористые агрегаты серого или черного цвета. Используются для производства режущего инструмента различного назначения. В медицинской промышленности служит для изготовления лезвий режущего инструмента для микрохирургии, в том числе и для офтальмологии;

3) Борт - пористые кристаллы, непригодные для огранки. Применяется для производства абразивных материалов.

В настоящее время в промышленности преимущественно используются синтетические алмазы.

А!₂0₃ V

А!₂0₃ используются в радиотехнике (полупроводники), квантовой оптике (кристаллические лазеры). Сапфир, кроме этого, является материалом для изготовления режущего инструмента, применяемого в микрохирургии. Кроме природных разновидностей корунда широкое распространение получил синтетический корунд без добавок - лейкосапфир. Это бесцветный прозрачный материал с высокими оптическими свойствами, из которого изготавливаются оптические линзы, в том числе интраокулярные линзы для офтальмологии.

III Корунд - минерал подкласса пористых оксидов А1₂0₃. При наличии примесей от 30 % до 40 % магнетита, гематита, шпинели применяется как абразивный материал. Прозрачные разновидности: рубин (а/₂0₃ ^ Сг³⁺), сапфир

IV Фианит - искусственный минерал, получаемый посредством синтеза монокристаллов на основе циркония и гафния. Области применения: ювелирное и медицинское производство (режущие инструменты для микрохирургии).

3.2 Стекло. Классификация и область применения

Стекло - один из наиболее старых и наиболее распространенных материалов среди тех, что использует человек. Его стали производить еще в VII веке до н. э., а теперь годовой оборот стекольной промышленности одних только США составляет 20 млрд. долл. Однако, несмотря на многочисленные применения стекла, одно его свойство всегда создавало сложности: стекло слишком легко растрескивается. Этот недостаток все чаще оказывается помехой для конструкторов. Новые технические средства, для которых требуются волоконнооптические кабели, керамические сердечники или новейшие оптические и электронные узлы, крайне нуждаются в разновидностях стекла и керамики, особо устойчивых к растрескиванию. Например, трансатлантический волоконнооптический кабель должен служить достаточно долго, чтобы его использование не было убыточным.

Стекло - твердый, аморфный, хрупкий материал, прозрачный, устойчив к химическим и термическим воздействиям.

Свойства стекла определяются состоянием образующих его компонентов и технологией его изготовления. Различают неорганическое и органическое стекло. Неорганическое стекло вырабатывается на основе двуокиси кремния, и получило название силикатное стекло. Различают следующие виды силикатного стекла:

1) оксидное стекло подразделяется на: фосфатное, алюминиевое, алюмо- фосфатное, боратное и т.д. Включение в состав стекла окисла цинка, циркония, титана и др. повышает его химическую устойчивость и термостойкость. Окислы свинца повышают оптические свойства стекла. В зависимости от составляющих компонентов, стекло может быть прозрачным, непрозрачным, цветным или бесцветным, пропускающим или поглощающим ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) лучи, а также ионизирующие излучения;

2) стекловолокно - химическое, неорганическое волокно, применяется в электротехнической, авиа- и судостроительной, электронной, медицинской, химической и др. отраслях промышленности. По способу производства, длине и внешнему виду стекловолокно разделяют на штапельное и непрерывное.

Штапельное стекловолокно получают путем разделения струи расплавленного стекла паром, воздухом или горячими газами. Используется как изоляционный материал - вата, рулонный материал, маты, плиты и др. Непрерывное стекловолокно получают протягиванием стекломассы на стеклопрядильных агрегатах. В дальнейшем процессе производства из полученного стекловолокна изготавливают ткани, ленты, сетки и др.

В медицине стекловолокно применяется в волоконной технике с оптическими приспособлениями: зеркала, призмы, линзы, световоды, жгуты из множества световодных волокон. Волоконно-оптические световоды применяются в эндоскопии для получения четкого изображения в полостях организма, а так же в урологии, онкологии. Использование световодов в хирургических приборах позволит при операциях добиваться освещения в труднодоступных полостях (грудной, брюшной и др.). Волоконные электросветоводы электробезопасны. Инструменты с волоконно-оптическими элементами (волоконные световоды) применяются во всех областях хирургии и в частности в микрохирургии, нейро

- и офтальмохирургии. Медицинские инструменты (пинцеты, скальпели), снабженные индивидуальным освещением - волоконными осветителями, используются для диагностики и удаления внутриглазных инородных тел, при операциях по поводу отслойки сетчатки, для щадящего (без травматизации ткани) обследования, например, гинекологического обследования девочек.

Увиолевое стекло - стекло с повышенной прозрачностью для ультрафиолетовой (УФ) области светового спектра от 100 нм до 400 нм. Отличительным свойством является отсутствие ряда окислов и сульфатов тяжелых металлов, поглощающих УФ излучение. Увиолевое стекло увеличивает пропускание УФ излучения из естественных и искусственных источников света. Поэтому его применяют в бактерицидных и эритемных лампах в лечебных целях, а так же для обеззараживания воздуха, воды, поверхности ограждения и предметов ухода, предохраняя от микробного загрязнения лекарственные средства. Увиолевое стекло применяется в ряде оптических и измерительных приборов.

Стеклянный электрод - это ионоселективный электрод, предназначенный для определения активности иона водорода, натрия и калия в водных средах в присутствии других ионов, следит за их активным изменением в средах с различной рН.

Органическое стекло - оптически прозрачный, твердый материал на основе органических полимеров. Оно обладает повышенной прозрачностью, малым весом, устойчивостью к ударам, не дает опасных осколков.

По назначению различают стекло:

- тарное и строительное стекло (оконное, узорчатые стеклоблоки, стеклопластики и др.);

- техническое (кварцевое, светотехническое стекловолокно и др.);

- сортовое (однокомпонентное силикатное), ему свойственно наибольшее светопропускание, особенно УФ лучей. Используется для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, химически стойких емкостей. Применяется в медицине, в химическом, фармацевтическом и пищевом производстве.

Кроме того, существуют следующие виды стекол:

- безопасное, безосколочное стекло, которое применяется для остекления транспортных средств, в самолетах;

- фотохромовое стекло, которое меняет светопропускание в зависимости от интенсивности освещения;

- стекло с уникальными свойствами: звукоизолирующее, солнцезащитное, пуленепробиваемое (бронированное).

Прозрачность, химические и термические свойства позволяют широко использовать стекло в медицине: ампулы, аптечная и лабораторная посуда, очки, термометры, детали медицинских аппаратов и оборудования, предметы ухода за больными. Хорошие гигиенические качества стекла объясняются тем, что оно легко обрабатывается, моется, стерилизуется, является хорошим защитным экраном от пыли и микрофлоры. Стекло широко применяется в строительстве для остекления светопроемов, устройства светопрозрачных ограждений и перегородок. В быту - зеркала, детали мебели, светильники, художественные изделия, стеклянная посуда.

Гигиенические требования к стеклу:

- должно пропускать много света, создавая необходимые условия зрительного контакта и, наоборот, обеспечивать зрительную изоляцию при необходимости;

- должно обладать теплозащитными свойствами;

- легко поддаваться очистке и обработке;

- быть безвредным, т.е. посуда должна быть химически стабильной (безопасной);

- иметь термическую устойчивость;

- не имеет режущих граней.

Стекольная промышленность в настоящее время выпускает достаточно широкий ассортимент стекол: строительное, техническое, медицинское, оптическое, промышленную тару, тепло- и гидроизоляционные материалы, художественные изделия и т.п.

Основными цехами стекольной промышленности являются:

1) составной цех - накапливает кварцевый песок, соду, мел, сульфат натрия, доломит, пегматит и другие компоненты, входящие в стекольную шихту. Здесь же все обрабатывается и подается в следующий цех;

2) цех выработки, где производят варку стекла в ваннах или горшковых печах. При этом технологический процесс полностью автоматизирован и механизирован. Художественные изделия из стекла изготавливаются полностью вручную, непосредственно возле печи. Выработка крупных хрустальных изделий, отломка стекла производится вручную, что требует физического напряжения;

3) цех обработки, где производят обрезку у заготовок на станках огневой резки; шлифовку изделий, при необходимости наносят алмазную грань; выполняют полировку изделий смесью, состоящей из плавиковой 40 % и серной 60 % кислот, и производят разрисовку.

В данном контексте нам будут интересны оптические элементы из стекла в медицинских приборах, аппаратах и системах.

К основным оптическим элементам из стекла относятся линзы, призмы, зеркала, волоконно-оптические элементы. Оптические приборы в медицине можно разделить на:

- приборы, работающие с участием глаза - визуальные (например, диоптриметр, лупа, микроскоп, эндоскоп, очки, кератометр);

- приборы, работающие без участия глаза - осветители, облучатели и т.п.

Оптика оказала существенное влияние на развитие практической медицины и здравоохранения. Например, применение медицинского микроскопа в хирургии, офтальмологии, отоларингологии (особенно открытие лазера), привело к развитию новых возможностей в области микрохирургии глаза, эндоскопической хирургии и других медицинских направлениях. Применение оптики получило широкое распространение в диагностике, тепловидении, голографии.

...