CC BY
0Я A SiiEsEiiE* НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ
Влияние кристаллографической ориентации поверхности кристаллов (ZrO2)o,97(Y2O3)o,o3 на интенсивность низкотемпературной деградации
Таперо М.К.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Москва
Е-mail: tapero.maksim@gmail. com
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-132-133
Материалы на основе диоксида циркония обладают высокой прочностью, твёрдостью, ударной вязкостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения, высокой температурой плавления, химической инертностью и биосовместимостью. Сегодня применение материалов на основе диоксида циркония в медицине ограничено вследствие протекания процесса низкотемпературной деградации (низкотемпературного старения) — неконтролируемого медленного фазового перехода из метастабильной тетрагональной фазы в моноклинную. Фазовый переход может быть инициирован наличием влажной атмосферы даже при комнатной температуре и может привести к частичному или полному разрушению изделий из диоксида циркония (скальпелей, ортопедических и стоматологических имплантов).
Несмотря на значимость низкотемпературной деградации для медицинской практики и обилие экспериментальных данных, в литературных источниках на текущий момент нет единой точки зрения на механизм этого процесса. Поэтому определение факторов, влияющих на интенсивность низкотемпературной деградации в материалах на основе диоксида циркония, является актуальной задачей. В работе рассмотрено влияние условий термообработки в атмосфере водяного пара на фазовый состав, параметры кристаллической решётки, механические характеристики и относительное содержание гидроксильных групп ОН на поверхности кристаллов твёрдых растворов ZrO2 частично стабилизированных Y2O3 с разной кристаллографической ориентацией.
Кристаллы (ZrO2)0,97(Y2O3)0,03 выращивали методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере с использованием прямого высокочастотного нагрева. Образцы для
M A 22-24 0КТЯбРЯ 2024 Г-
исследований вырезали из кристаллов перпендикулярно направлениям <100>, <110> и <111>. Термообработку кристаллов проводили в воде при температуре 134 °C и при давлении 200 кПа. Время обработки составило 50, 100 и 200 ч, что эквивалентно 25, 30 и 35 годам нахождения имплантата из диоксида циркония в теле человека [1].
В работе показано, что относительное содержание гидроксильных ОН-групп на поверхности образцов (ZrO2)o,97(Y2O3)o,o3 изменяется в зависимости от времени гидротермального старения, а также зависит от кристаллографической ориентации поверхности ZrO2.
Для оценки механических свойств образцов использовали данные о микротвёрдости, измеренной методом Виккерса. При увеличении времени обработки до 100 ч изменение величины микротвёрдости незначительное и лежит в пределах погрешности измерения. После 200 ч обработки в автоклаве микротвёрдость снижается, что может свидетельствовать об образовании моноклинной фазы на поверхности образца.
Для определения толщины моноклинной фазы на поверхности образца использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Было установлено, что процесс низкотемпературной деградации начинается на поверхности образцов и затем распространяется на приповерхностные области объёма образцов. Глубина проникновения моноклинной фазы после 50 ч выдержки в автоклаве составила приблизительно 3,0, 1,5 и 1,0 мкм для монокристаллических образцов с ориентацией поверхности (100), (110) и (111) соответственно. При увеличении времени выдержки толщина слоя моноклинной фазы незначительно увеличивалась.
Таким образом обнаружено, что кристаллографическая ориентация образцов является существенным фактором, влияющим на процесс низкотемпературной деградации.
1. Chevalier J., Gremillard L., Deville S. Annual Review of Materials Research. 2007, 37, 1-32.
