Керамические материалы (керамика) – особый класс неорганических материалов, получаемых спеканием порошков оксидов, карбидов, нитридов. Применение керамических материалов разнообразно и определяется их свойствами, которые зависят от структуры, вернее от микроструктуры данных материалов. Микроструктура – совокупность элементов структуры, а именно зерен (кристаллических фаз), пор (газовой фазы), аморфной фазы. При описании микроструктуры необходимо указывать размер и взаимное расположение элементов структуры. Микроструктура определяет функциональные свойства керамического материала.
Вопрос о разработке нового керамического материала возникает при необходимости создания материала с новыми функциональными свойствами или при необходимости изменения уровня известного свойства данного керамического материала. Если материал будет создан, то тогда о нем говорят, как о материале с «заранее заданными свойствами».
Микроструктура керамики – результат последовательности операций (технологических стадий). Основными стадиями получения керамического материала являются: подготовка [1] порошкового материала [2], формование [3] изделия или образца заданной формы из подготовленного порошкового материала и отжиг (высокотемпературная обработка). Если требуется создать новый материал с заранее заданными свойствами, то тогда первой стадией будет анализ научной и патентной литературы, позволяющий выяснить насколько далеко другие исследовательский группы продвинулись в решении задачи создания такого материала.
На стадии обжига в порошковом материале могут протекать различные физико-химические процессы: термическое разложение компонентов порошкового материала, плавление, перегруппировка частиц, уплотнение, спекание вследствие диффузионных процессов (твердофазное спекание) или вследствие взаимодействия расплава и не расплавившихся частиц (жидкофазное спекание), гетерогенное взаимодействие (химическая реакция) с образованием новых фаз (кристаллических, аморфных, газовых). Именно на стадии обжига формируется микроструктура керамического материала.
Одним из интенсивно разрабатываемых направлений современного материаловедения является медицинское материаловедение. Керамические материалы на основе нанокристаллических (ультрамелкозернистых) фосфатов кальция – основа создания костных имплантатов для лечения непротяженных костных дефектов. Регенеративный подход лечения костных дефектов предполагает использование таких керамических материалов, которые, растворяясь при имплантировании «в физиологической среде» организма, поставляют в зону формирования новой костной ткани необходимые для ее строительства ионы Са2+ и фосфат- или пирофосфат-ионы.
В настоящей задаче требуется предложить схему получения керамического материала с заданным свойством – способностью резорбироваться с заметной или повышенной скоростью резорбции при имплантировании, а именно - керамики на основе трикальциевого фосфата (ТКФ) и керамики на основе пирофосфата кальция (ПФК) или же композита, содержащего обе эти фазы .
Скорость резорбции определяется фазовым составом (см. таблицу 1).
Просьба учесть, что Ваши предложения по фазовому составу материала – это только первый этап на пути создания керамического материала, поскольку необходимо также получать микроструктуру с определенным размером элементов структуры и совершенно конкретным их распределением. Решение фазового состава может быть предложено на основе анализа свойств исходных порошков и анализа фазовых диаграмм.
Повлиять на фазовый состав легче всего на стадии подготовки порошкового материала. Данные об известных в настоящее время фосфатах кальция и некоторые их свойства (таблица 2) помогут выбрать (задать) фазовый состав исходного порошка и керамического материала, обладающего способностью резорбироваться.
Для получения керамики используют активные к спеканию порошки. Активность порошков к спеканию (и не только к спеканию) тем выше, чем меньше размер частиц, выше удельная площадь поверхности и дефектность отдельного кристаллита. Активные к спеканию порошки обычно получают одним из химических методов, наиболее доступным из которых является метод соосаждения из водных растворов.
Наверное, это будет подсказкой, но такие фазы как ТКФ [4], ПФК3 и а также фазы двойных фосфатов кальция и щелочных металлов не могут быть получены простым спеканием порошков, синтезированных осаждением из растворов, так как при соосаждением из водных растворов такие порошки не могут быть получены (таблица 2). Тем не менее, по условию настоящей задачи керамику предстоит изготовить из неорганического порошка, полученного соосаждением.
Приступая к решению настоящей задачи, считайте, что вы располагаете белым халатом, тягой, водоструйным или иным насосом, воронкой Бюхнера, стеклянными стаканами различного объема, мерными колбами, бумажными фильтрами, дистиллированной водой (неограниченное количество); растворимыми солями кальция, растворимыми гидроортофосфатами натрия, калия, аммония, растворимыми пирофосфатами натрия, калия, аммония; водным раствором аммиака, гидроксидами кальция, натрия и калия; плиткой с магнитной мешалкой, рН-метром (или набором индикаторной бумаги), печью с максимальной рабочей температурой 1400оС, сушильным шкафом, различными справочниками, базами данных и энтузиазмом.
Решение данной задачи многовариантно. Любая обоснованная схема получения керамического материала на основе β-ТКФ, β-ПФК, NaCaPO4, KCaPO4 или керамического композита, содержащего данные фазы, предложенная в качестве решения будет оценена максимальным количеством баллов, установленным за решение данной задачи.
Примечание: ниже представлены некоторые фазовые диаграммы, которые могут быть полезны для решения данной задачи. Не запрещается также использовать фазовые диаграммы из других источников.
Стандартное решение должно содержать обоснованное рассуждение о путях достижения фазового состава, включать химические реакции при высоких температурах, если они будут иметь место. Кроме того, должны быть предложены химические реакции, которые будут использованы для синтеза фосфатов кальция как порошковых компонентов исходных смесей для получения однофазной или многофазной керамики. Количество порошковых компонентов также должно быть обосновано.
(суммарное решение – 15 баллов)
Условия задачи можно скачать в виде файла.
[1] «Подготовка порошкового материала» включает синтез, введение добавок различного назначения (если это необходимо, в том числе временного технологического связующего), смешивание, дезагрегацию, в ряде случаев сушку, иногда гранулирование. Последовательность применения операций может не совпадать с последовательностью при перечислении в предыдущем предложении.
[2] «Порошковый материал» - это порошок; паста, обладающая пластичностью, или суспензия.
[3] «Формование» - это или прессование, или пластическое формование или литье из суспензии (шликера).
[4] Расшифровка сокращений приведена в таблице 2.
Ссылки в подписях к рисункам:
[1] G. Troemel, Stahl Eisen, 63 [2] 21-30 (1943).
[2] W. L. Hill, G. T. Faust, and D. S. Reynolds, Am. J. Sci., 242 [9] 457-477 (1944).
[3] E. R. Kreidler and F. A. Hummel, Inorg. Chem., 6 [5] 884-891 (1967).
[4] P. V. Riboud, Ann. Chim. (Paris), 8 [6] 381-390 (1973)
[5] Paul Wencil Brown «Phase Relationships in the Ternary System CaO-P205-H20 at 25°C» // J. Am. Cer. Soc., 75 [1] (1992)
[6] Roger I. Martin and Paul W. Brown «Phase Equilibria Among Acid Calcium Phosphates» // J. Am. Cer. Soc., 80 [5] (1997)
