Помощь студентам в учебе
Численное моделирование физико-механических свойств сплава системы Ti-Nb медицинского назначения
|
РЕФЕРАТ 9
ВВЕДЕНИЕ 12
Глава 1. Литературный обзор, определяющий актуальность исследовательской работы 15
1.1 Типы кристаллических решёток, понятие элементарной ячейки,
плоскости в кристаллах, узлы элементарной ячейки 15
1.2 Кристаллическая структура титана: альфа-, бета-фазы 19
1.3 Сплавы титана для медицины, области медицинского применения . 20
1.4 Механические свойства сплавов на основе В-Ti 22
1.5 Подробнее о свойствах В-Ti и о легировании Ti различными
элементами 23
Глава 2. Метод исследования свойств веществ из первых принципов 26
2.1 Иерархия обменно-корреляционных функционалов 26
2.2 Базисные множества, потенциалы и псевдопотенциалы 28
2.3 Решение уравнений Кона-Шэма 29
2.4 Ограничения 30
2.5 Основы работы в VASP 31
Глава 3. Результаты моделирования 35
3.1 Расчет энергии формирования и когезии 37
3.2 Расчет и анализ упругих свойств 39
3.3 Анализ анизотропных свойств 43
3.4 Расчет и анализ электронных свойств 44
Глава 4. Социальная ответственность 49
Введение 49
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 49
4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя 50
4.3 Производственная безопасность 50
4.3.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований 50
4.3.2 Превышение уровня шума 51
4.3.3 Отклонение показателей микроклимата 53
4.3.4 Недостаточная освещенность рабочей зоны 54
4.3.5 Электробезопасность и пожаробезопасность 56
4.4 Экологическая безопасность 58
4.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 59
4.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть на рабочем месте
при проведении исследований 59
4.5.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 60
Выводы по главе «Социальная ответственность» 61
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
Введение 62
5.1 Потенциальные потребители данного исследования 62
5.2 Анализ конкурентных технических решений 63
5.3 SWOT - анализ 65
5.4 Планирование научно-исследовательских работ 68
5.4.1 Определение трудоемкости выполнения работ 68
5.4.2 Разработка графика проведения научного исследования 70
5.5 Бюджет научно-технического исследования 72
5.5.1 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 72
5.5.2 Основная заработная плата исполнителей темы 72
5.5.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 74
5.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 74
5.5.5 Прочие прямые затраты 75
5.5.6 Накладные расходы 75
5.5.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 76
5.6 Оценка эффективности проекта 76
Выводы по главе «Финансовый менеджмент ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
Список литературы 82
ВВЕДЕНИЕ 12
Глава 1. Литературный обзор, определяющий актуальность исследовательской работы 15
1.1 Типы кристаллических решёток, понятие элементарной ячейки,
плоскости в кристаллах, узлы элементарной ячейки 15
1.2 Кристаллическая структура титана: альфа-, бета-фазы 19
1.3 Сплавы титана для медицины, области медицинского применения . 20
1.4 Механические свойства сплавов на основе В-Ti 22
1.5 Подробнее о свойствах В-Ti и о легировании Ti различными
элементами 23
Глава 2. Метод исследования свойств веществ из первых принципов 26
2.1 Иерархия обменно-корреляционных функционалов 26
2.2 Базисные множества, потенциалы и псевдопотенциалы 28
2.3 Решение уравнений Кона-Шэма 29
2.4 Ограничения 30
2.5 Основы работы в VASP 31
Глава 3. Результаты моделирования 35
3.1 Расчет энергии формирования и когезии 37
3.2 Расчет и анализ упругих свойств 39
3.3 Анализ анизотропных свойств 43
3.4 Расчет и анализ электронных свойств 44
Глава 4. Социальная ответственность 49
Введение 49
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 49
4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя 50
4.3 Производственная безопасность 50
4.3.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований 50
4.3.2 Превышение уровня шума 51
4.3.3 Отклонение показателей микроклимата 53
4.3.4 Недостаточная освещенность рабочей зоны 54
4.3.5 Электробезопасность и пожаробезопасность 56
4.4 Экологическая безопасность 58
4.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 59
4.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть на рабочем месте
при проведении исследований 59
4.5.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 60
Выводы по главе «Социальная ответственность» 61
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
Введение 62
5.1 Потенциальные потребители данного исследования 62
5.2 Анализ конкурентных технических решений 63
5.3 SWOT - анализ 65
5.4 Планирование научно-исследовательских работ 68
5.4.1 Определение трудоемкости выполнения работ 68
5.4.2 Разработка графика проведения научного исследования 70
5.5 Бюджет научно-технического исследования 72
5.5.1 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 72
5.5.2 Основная заработная плата исполнителей темы 72
5.5.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 74
5.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 74
5.5.5 Прочие прямые затраты 75
5.5.6 Накладные расходы 75
5.5.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 76
5.6 Оценка эффективности проекта 76
Выводы по главе «Финансовый менеджмент ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
Список литературы 82
Разработка новых биоматериалов в настоящее время - сложный процесс, включающий в себя следующие основные этапы: постановка проблемы, анализ литературы, проведение фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований, представление полученных результатов научному сообществу в виде научных публикаций итд., внедрение результатов исследования в практику. В особенности это касается медицины, ведь при использовании нового материала необходимо учитывать множество факторов, таких как, например, его прочность, упругость и токсичность. Говоря о протезировании, конструкция на основе нового материала может вызвать непредсказуемые изменения в организме человека и серьезно навредить его здоровью, если она не будет удовлетворять основным требованиям, предъявляемым к такого рода имплантационным материалам.
Именно поэтому важно понимать природу используемого материала, его свойства и особенности. Как известно, сейчас для создания имплантатов для биомедицины большой популярностью пользуются сплавы на основе титана. Сам по себе титан является биоинертным по отношению к организму человека, более того он обладает рядом преимуществ по отношению к другим материалам, используемым в медицине, например, титан немагнитный материал, что позволяет пациенту с титановым имплантатом проходить процедуру МРТ. Также ряд элементов, в комбинации с титаном способствует повышению биосовместимости сплава и уменьшает вероятность аллергических реакций. Однако и в случае использования сплавов титана часто наблюдается ряд осложнений. Например, существует такой эффект как экранирование напряжения, он возникает в результате снятия напряжения с кости человека внедрённым в нее имплантатом, следовательно, из-за снижения нагрузки на кость , она становится менее плотной и более подверженной различным деформациям [1]. Поэтому во избежание данного эффекта в настоящее время начали активно использовать низкомодульные сплавы на основе титана. Стремление к разработке низкомодульных сплавов Ti привело к повышенному вниманию к сплавам в -типа, которые демонстрируют относительно низкие модули по сравнению со сплавами а и (а+в) Ti [2].
В настоящее время ведется активная разработка различных сплавов на основе в-фазы Ti, легированного различными стабилизаторами в-фазы (Ta, Mo, Nb, Zr и т. д.) [3]. Например, в Украине был разработан сплав Zr-Ti-Nb, в котором удалось достичь модуля упругости величиной в 47 ГПа [4]. Также используются сплавы с добавлением тантала - Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr, олова - Ti- 29Nb-13Ta-2Sn [5]. Наиболее перспективным из них является сплав Ti-Nb, так как сам по себе титан биоинертен, а ниобий, в зависимости от его массового содержания в сплаве, придает материалу биосовместимые свойства.
Содержание Nb 22-23% в сплаве Ti-Nb приводит к стабилизации в-Ti а также такие сплавы обладают эффектом памяти формы. Однако данный эффект не является приоритетным в проведенном нами исследовании, в отличие от низкого модуля Юнга, в связи с чем были использованы концентрации Nb 40-45 % [6]. Известно, что такая концентрация Nb позволяет уменьшить значение модуля Юнга Ti-Nb сплавов до 55-60 ГПа. В перспективе это сопоставимо с модулем упругости человеческой кости (30-40 ГПа) [7].
Обычно, для исследования таких сплавов используют широкий спектр экспериментальных подходов и методов. В текущей работе, было принято решение использовать подход, основанный на первопринципном моделировании, основывающееся на модели взаимодействия атомов и молекул из квантовой механики. Данный метод основан на теории функционала плотности (ТФП), которая рассматривает твердые тела как систему большого количества взаимодействующих между собой электронов, связанных друг с другом решеткой из ядер.
Такой подход позволит прогнозировать свойства моделируемых сплавов еще до проведения этапа практических экспериментов, что в свою очередь позволит снизить время поиска оптимальной концентрации легируемого элемента.
Таким образом, целью данной работы является определение влияния концентрации ниобия на физико-механические и электронные свойства сплава Ti-Nb
Согласно цели, были сформулированы задачи, необходимые к выполнению:
1. Реализовать построение атомных конфигураций изучаемых структур Ti-KNb бета-типа с использованием подхода специальных квазислучайных структур (SQS) и провести расчёты структурных параметров из первых принципов на основании которых выделить структуры, в которых полная энергия системы достигает своего минимума.
2. Рассчитать энергии когезии и формирования выбранных систем Ti-xNb, для определения наиболее стабильной структуры.
3. С помощью проведения расчетов в рамках ТФП, реализованных в компьютерном коде VASP, определить упругие постоянные изучаемых структур, для оценки механических характеристик исследуемых систем сплавов и выбора концентрации Nb, позволяющей получать стабильные бета сплавы с низким модулем Юнга.
4. С помощью полученных данных в ходе проведения расчетов в VASP, проанализировать электронные свойства полученной ячейки с помощью программного пакета VESTA для подтверждения выводов сделанных в результате анализа упругих свойств.
Именно поэтому важно понимать природу используемого материала, его свойства и особенности. Как известно, сейчас для создания имплантатов для биомедицины большой популярностью пользуются сплавы на основе титана. Сам по себе титан является биоинертным по отношению к организму человека, более того он обладает рядом преимуществ по отношению к другим материалам, используемым в медицине, например, титан немагнитный материал, что позволяет пациенту с титановым имплантатом проходить процедуру МРТ. Также ряд элементов, в комбинации с титаном способствует повышению биосовместимости сплава и уменьшает вероятность аллергических реакций. Однако и в случае использования сплавов титана часто наблюдается ряд осложнений. Например, существует такой эффект как экранирование напряжения, он возникает в результате снятия напряжения с кости человека внедрённым в нее имплантатом, следовательно, из-за снижения нагрузки на кость , она становится менее плотной и более подверженной различным деформациям [1]. Поэтому во избежание данного эффекта в настоящее время начали активно использовать низкомодульные сплавы на основе титана. Стремление к разработке низкомодульных сплавов Ti привело к повышенному вниманию к сплавам в -типа, которые демонстрируют относительно низкие модули по сравнению со сплавами а и (а+в) Ti [2].
В настоящее время ведется активная разработка различных сплавов на основе в-фазы Ti, легированного различными стабилизаторами в-фазы (Ta, Mo, Nb, Zr и т. д.) [3]. Например, в Украине был разработан сплав Zr-Ti-Nb, в котором удалось достичь модуля упругости величиной в 47 ГПа [4]. Также используются сплавы с добавлением тантала - Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr, олова - Ti- 29Nb-13Ta-2Sn [5]. Наиболее перспективным из них является сплав Ti-Nb, так как сам по себе титан биоинертен, а ниобий, в зависимости от его массового содержания в сплаве, придает материалу биосовместимые свойства.
Содержание Nb 22-23% в сплаве Ti-Nb приводит к стабилизации в-Ti а также такие сплавы обладают эффектом памяти формы. Однако данный эффект не является приоритетным в проведенном нами исследовании, в отличие от низкого модуля Юнга, в связи с чем были использованы концентрации Nb 40-45 % [6]. Известно, что такая концентрация Nb позволяет уменьшить значение модуля Юнга Ti-Nb сплавов до 55-60 ГПа. В перспективе это сопоставимо с модулем упругости человеческой кости (30-40 ГПа) [7].
Обычно, для исследования таких сплавов используют широкий спектр экспериментальных подходов и методов. В текущей работе, было принято решение использовать подход, основанный на первопринципном моделировании, основывающееся на модели взаимодействия атомов и молекул из квантовой механики. Данный метод основан на теории функционала плотности (ТФП), которая рассматривает твердые тела как систему большого количества взаимодействующих между собой электронов, связанных друг с другом решеткой из ядер.
Такой подход позволит прогнозировать свойства моделируемых сплавов еще до проведения этапа практических экспериментов, что в свою очередь позволит снизить время поиска оптимальной концентрации легируемого элемента.
Таким образом, целью данной работы является определение влияния концентрации ниобия на физико-механические и электронные свойства сплава Ti-Nb
Согласно цели, были сформулированы задачи, необходимые к выполнению:
1. Реализовать построение атомных конфигураций изучаемых структур Ti-KNb бета-типа с использованием подхода специальных квазислучайных структур (SQS) и провести расчёты структурных параметров из первых принципов на основании которых выделить структуры, в которых полная энергия системы достигает своего минимума.
2. Рассчитать энергии когезии и формирования выбранных систем Ti-xNb, для определения наиболее стабильной структуры.
3. С помощью проведения расчетов в рамках ТФП, реализованных в компьютерном коде VASP, определить упругие постоянные изучаемых структур, для оценки механических характеристик исследуемых систем сплавов и выбора концентрации Nb, позволяющей получать стабильные бета сплавы с низким модулем Юнга.
4. С помощью полученных данных в ходе проведения расчетов в VASP, проанализировать электронные свойства полученной ячейки с помощью программного пакета VESTA для подтверждения выводов сделанных в результате анализа упругих свойств.
В текущей работе была исследована зависимость механических свойств сплава Ti-Nb от концентрации Nb. Для этого было реализовано построение атомных конфигураций изучаемых структур Ti-Nb бета-типа и проведены расчёты структурных параметров. В ходе расчетов было установлено, что структурный параметр решетки увеличивается вместе с ростом концентрации Nb. Для определения стабильности сконструированных структур были рассчитаны энергии формирования и когезии в зависимости от концентрации Nb. Из полученных графиков видно, что с увеличением концентрации Nb структура становится более стабильной. Также с помощью проведения расчетов в программном пакете VASP были рассчитаны механические свойства сплава Ti-Nb такие, как модуль Юнга, сдвига, объемный модуль, коэффициент Пуассона и давление Коши. Из анализа рассчитанных механических свойств видно, что с увеличением концентрации Nb в сплаве, происходит снижение модулей сдвига и Юнга, а также увеличение давления Коши, что говорит об увеличении пластичности исследуемого материала. Также из исследования анизотропных свойств сплава Ti-Nb на примере расчета модуля Юнга для плоскостей (100), (110) и (111) определено, что с увеличением концентрации Nb сплав становится более изотропным. В программном пакете VESTA была визуализирована структура Ti-50Nb состоящая из 54-атомов. На ее основе был проведен анализ электронных свойств, а также межатомных связей. В ходе данного анализа было установлено, что замещение атомов Ti атомами Nb привело к образованию ковалентных связей между атомами Ti-Nb и Nb-Nb, но все же в большей степени материал имеет металлическую природу, а также увеличение количества ковалентных связей уменьшает сопротивление материала упругим деформациям, что и приводит к уменьшению модулей Юнга и сдвига, а также к увеличению значений давления Коши.
Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что увеличение концентрации Nb влечет за собой увеличение пластичности сплава
Ti-Nb и варьируя данный параметр, можно задавать механические свойства сплава. Также, было установлено, что концентрация Nb в 50% в сплаве Ti-Nb обладает лучшими физико-механическими свойствами среди исследованных концентраций (модуль Юнга составил 79,19 ГПа, модуль сдвига - 28,38 ГПа, давление Коши - 135,46 ГПа) и рекомендуется для дальнейших
экспериментальных работ.
Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что увеличение концентрации Nb влечет за собой увеличение пластичности сплава
Ti-Nb и варьируя данный параметр, можно задавать механические свойства сплава. Также, было установлено, что концентрация Nb в 50% в сплаве Ti-Nb обладает лучшими физико-механическими свойствами среди исследованных концентраций (модуль Юнга составил 79,19 ГПа, модуль сдвига - 28,38 ГПа, давление Коши - 135,46 ГПа) и рекомендуется для дальнейших
экспериментальных работ.
