Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Типы металлоконструкций: Классификации и 6 видов металлоконструкций; полный FAQ по металлическим конструкциям

Содержание

Демонтаж металлоконструкций: этапы, сложности проведения, цена

Сооружения на основе металлоконструкций – надежные, прочные и долговечные, несложные в сборке и в несколько раз дешевле по сравнению с постройками из кирпича и бетона. Неудивительно, что спрос на подобные здания растет, а планировка городского ландшафта с завидной скоростью расширяется новыми современными конструкциями.

В случае истечения срока эксплуатации металлокаркасных зданий или же необходимости перенести сооружение на новое место, требуется демонтаж металлоконструкций.

Когда требуется демонтаж металлических конструкций

Демонтаж металлоконструкций представляет собой процесс разборки сооружения на элементы с целью утилизации или дальнейшего переноса на новую стройплощадку. Разбор или снос может потребоваться в различных ситуациях, например:

  • владелец планирует менять или расширять сферу деятельности;
  • предприятию необходимо сменить планировку помещения;
  • компания хочет сменить оборудование, спецтехнику в связи с запуском новой производственной линии;
  • необходимо снести аварийное вышедшее из строя помещение, ангар, здание;
  • необходимость в реконструкции здания, где осуществляется частичная разборка некоторых элементов – колонн, балок, ферм…;
  • с целью оптимизации логистики склад нужно перенести ближе к месту производства и т. д.

Наконец, если здание из металлоконструкций носит временный характер и заранее возводилось с целью дальнейшего его демонтажа, оно также подлежит разбору.

На самом деле причин демонтажа металлоконструкций зданий намного больше, в зависимости от специфики, каждый случай необходимо рассматривать индивидуально. Но для этого потребуется обратиться к профессионалам своего дела, выбор их нелегок.

Кто должен осуществлять демонтаж металлоконструкций

Услуга демонтажа металлоконструкций в Москве и других регионах доступна каждому, при этом разбор и утилизация/перенос на новое место обязательно должны осуществляться специалистами. Отлично, если компания, которая провела монтаж, осуществит и демонтаж металлоконструкций. Сложность и длительность процесса разбора в таком случае уменьшаться в разы.

Помните, что работы по сносу зданий – сложное мероприятие, относящееся к повышенной опасности. Компания, которая выполняет услуги по демонтажу металлоконструкций, должна владеть парком спецтехники и оборудования, иметь команду профессионалов, производственную базу и опыт.

Какая техника необходима для демонтажа:                 

  • грузовые автомобили для вывоза;
  • автокраны и техника с механическим манипулятором;
  • гидравлические подъемники;
  • оборудование для резки металла.

Среди сотрудников важно, чтобы были:

  • эксперты-оценщики;
  • бригада резчиков;
  • прорабы;
  • стропальщики.

Проконтролируйте, чтобы рабочий персонал имел разрешение и доступ к проведению данного вида работ!

 

Типы демонтажа металлических конструкций

Существует всего лишь два типа, к ним относят:

  1. Снос металлоконструкций с дальнейшей утилизацией (сдача на металлолом).
  2. Демонтаж и транспортировка на новое место с целью повторного монтажа.

Во втором случае от качества и профессионализма проведенных работ будет зависеть надежность и долговечность постройки при повторном ее возведении.

Для определенных моментов может проводиться частичный демонтаж конструкций, где зачастую используют поэлементную разборку, лебедку и краны.

Как осуществляется демонтаж: основные этапы

Перед специалистами стоит непростая задача – необходимо осторожно снести здание, не задев соседние строения, а в случае с повторным возведением – максимально аккуратно разобрать несущие конструкции и массивные элементы, надежно подготовив их к дальнейшей транспортировке.

Технология демонтажа конструкций обязательно базируется на планировании проведения работ, куда входит экспертная оценка (диагностика) состояния конструкций и составление проекта работ в соответствии с договором. Если рассматривать данное мероприятие поэтапно, то получим следующую схему:

  1. Изучение специалистами места застройки, осмотр сооружения, оценка состояния металлоконструкций. Определяется вид спецтехники и оборудования, которые будут применяться.
  2. Проведение демонтажных работ с соблюдением всех норм и правил безопасности. Демонтаж начинается из разборки ограждающих конструкций – сэндвич-панелей, профлиста, ворот, дверей и т. д. Профнастил и панели аккуратно складываются для дальнейшей транспортировки и сборки. Учитывайте, что сооружения из металлоконструкций не являются конструкторами Лего, разобрать их до последней детали без повреждений невозможно. Несущие элементы каркаса и крупные детали демонтируются в последнюю очередь без повреждений, а вот такие, как кровля или материалы обшивки придется заменить.
  3. Уборка места демонтажа и транспортировка – место бывшей постройки тщательно зачищается от мусора и отходов, металлоконструкции перевозятся для дальнейшей их утилизации или монтажа.

Соблюдение всех этих пунктов гарантирует короткие сроки, качество демонтажа и вывоза металлоконструкций.

Возможные проблемы в процессе разборки

Рассмотрим четыре основных задачи и методы их решения.

Проведение работ в стесненных условиях

Такая проблема – частое явление в густонаселенных районах с плотной застройкой. Здесь поможет тщательное планирование, при котором исключают возможность обрушения на соседние здания.

Демонтаж на высоте

Двухэтажные и выше сооружения, большепролетные габаритные сооружения – услуга демонтажа металлоконструкций, которую компании зачастую выносят в отдельную категорию. Связано это в первую очередь со сложностью проведения работ. Здесь может не только применяться высокотехнологичное оборудование для высотных зданий, но и задействоваться вертолет и промышленные альпинисты.

Распил металлоконструкций

Крупногабаритные элементы, которые планируются под снос, приходится разрезать, что несет в себе опасность и возникновение травм. Здесь важно провести доп. подготовку, использовать крюки и манипуляторы.

Транспортировка конструкций

Во время транспортировки металлические конструкции легко повредить таким образом, что повторное их применение будет уже невозможным – работа провалена. Чтобы избежать такой ситуации, важно грамотно подобрать транспорт, который отвечал бы габаритам и размерам элементов здания.

Особенности формирования цены на демонтаж металлоконструкций

На цену демонтажа металлоконструкций влияет множество факторов:

  • сложность и объемы проводимых работ;
  • габариты сносимого строения;
  • тип металлоконструкций;
  • уровень времязатрат;
  • необходимость в привлечении тяжелой спецтехники и бригадной группы;
  • высотность сооружений;
  • доступность подъезда к конструкции и место расположения;
  • необходимость в утилизации отходов, транспортировки и т.д.

Для точной стоимости демонтажа металлоконструкций необходимо составить смету после предварительного осмотра строительного объекта, который планируется под снос.

классификация и 6 основных видов


К металлоконструкциям (МК) относят сооружения, изделия, pxlдетали, изготовленные из металлопрофиля. Наиболее востребованы стойки, колонны, устойчивые стальные балки перекрытия. Главным образом они применяются в строительной сфере, в качестве каркасов будущих сооружений. Реже – в машиностроении.


Значительная часть металлических конструкций производится массово; их изготовление стандартизировано. Сырьем для производства МК служат: чугун, сталь, цветные металлы и сплавы. Первые каркасы из составных элементов были использованы в строительстве в 19 столетии. Сегодня они вытесняют капитальные постройки.

Классификация, типы и разновидности металлоконструкций


При изготовлении металлоконструкций используется металлопрокат: балки, тавры/двутавры, швеллер, уголок, труба, катанка.


Исходя из назначения, МК делятся на:


формируют каркас сооружения;

  • Для дорожного строительства


задействуются при возведении путепроводов, эстакад, ж/д;


штучные изделия для экстерьеров, интерьеров, изготавливаются на заказ, в том числе методом художественной ковки;


 заборы, ворота, калитки и их элементы.


Исходя из типа конструкции, различают 2 типа металлоконструкций:

  • цельнолитые;
  • сборно-разборные.


Различен и способ получения МК. Исходя из этого признака, металлические конструкции классифицируются как:

  • сварные;
  • штампованные;
  • клепанные;
  • болтовые;
  • винтовые;
  • комбинированные.


С точки зрения эксплуатационных характеристик, МК бывают:

  • стационарными;
  • трансформируемыми;
  • сборными.

Сооружения, возводимые с использованием металлоконструкций


Использование МК позволяет оптимизировать временные и финансовые затраты, то есть удешевить стройку. Сегодня они широко востребованы при возведении:

  • предприятий, промышленных цехов и площадок;
  • складских комплексов;
  • гаражей, боксов, ангаров;
  • спортивных объектов;
  • магазинов и торгово-развлекательных центров;
  • автосервисов и АЗС;
  • офисных центров;
  • вокзалов и остановок общественного транспорта;
  • мостов и виадуков;
  • коммуникационных систем;
  • линий электропередач, башен, мачт, антенн;
  • теплиц, беседок;
  • изделий наружной рекламы и МАФ.


Помимо этого, металлические конструкции используются в изделиях временного и вспомогательного назначения: ограждениях, опалубке, строительных лесах, лестницах, перилах, выставочных стендах, навесах и козырьках.

Преимущества строений на основе металлоконструкций


Популярность металлоконструкций в строительстве объясняется их многочисленными преимуществами. Это:

  • высокая скорость монтажа, быстрый ввод здания в эксплуатацию;
  • относительно небольшая цена комплектации;
  • сравнительно малый вес;
  • мобильность, транспортабельность;
  • возможность демонтажа и повторного использования;
  • возможность переплавки в новые изделия;
  • устойчивость материала к биологическим поражениям – гнили, плесени, грызунам;
  • огнестойкость;
  • ремонтопригодность.


В сравнении с кирпичом и бетонными блоками, МК имеют меньшую массу, что важно при возведении высотных зданий.


Уже на заводе металлоконструкции окрашиваются и подвергаются частичной сборке, что ускоряет и упрощает монтаж.


Большинство новостроек сегодня имеет металлический каркас. С течением времени эта тенденция ширится и крепнет. В частности, за счет роста популярности быстровозводимых зданий и сооружений.

Особенности металлических конструкций


Основой всех МК является металлопрокат, который подвергается холодной обработке (резка, гибка, сверление) и последующей сборке.  


Металлический каркас-основа выдерживает вес стенового материала, кровли, утеплителя. При проектировании и расчете сечения металлоизделий необходимо учитывать дополнительные нагрузки, которым будет подвергаться конструкция. Их компенсируют увеличением расхода металла.


Прочность сборной металлоизделия зависит от свойств металла и способа соединения элементов. Это может быть сварка, штамповка, болтовое соединение, ковка и клепка.


Сборка металлических конструкций для строительных нужд производится болтовым соединением либо методом сварки. В целях безопасности, сварку стоит заказывать в профильной компании.


Штамповка, клепка, ковка промышленного значения не имеют.

Нюансы возведения сооружений на основе металлоконструкций 


Особенности работы со строительными металлоконструкциями обусловлены их спецификой. По сравнению с железобетонными, они менее массивны, не подвержены деформациям, их установка занимает меньше времени.


Начальным этапом работы по возведению является разработка технического плана объекта, индивидуального либо типового. Достоинствами типовых планов являются экономия ресурсов – финансовых и временных. В нашей компании над техническим планом трудится группа разработчиков, объединившая архитектора, геодезиста, геолога, инженера-строителя, юриста. В итоге документ отвечает требованиям СНиПа, ГОСТа, ТУ.


В соответствии с техническим планом, в производственных цехах осуществляется изготовление МК. Здесь же наносится защитное антикор-покрытие. Параллельно на стройплощадке может выполняться закладка фундамента строения.


Монтаж начинается с установки металлокаркаса, когда рама крепится на фундамент. Для большей устойчивости рамы соединяются прогонами и диагональными ветровыми. Крепеж болтами и самонарезающими винтами. За счет отказа от сварки, снижаются трудозатраты. После установки каркаса он обшивается стеновым материалом, утепляется, накрывается крышей. Подводятся коммуникации.


 На стоимость монтажных работ влияют следующие факторы:

  • степень сложности формы металлоконструкции;
  • масштаб работы;
  • особенность грунта и сезон.

Недостатки конструкций из металла


Наряду с перечисленными выше достоинствами, конструкции из металла имеют ряд недостатков. В этом списке:

  • Относительно железобетонных, конструкции из металла имеют меньший срок эксплуатации.
  • Без дополнительной обработки металл со временем ржавеет, особенно быстро это происходит в условиях повышенной влажности.
  • Малая термостойкость. Металл не горюч, однако при нагревании до определенной температуры начинает плавиться. В условиях пожара металлокаркас деформируется, что может повлечь обрушение кровли и стен здания.
  • Необходимость в уходе и защите от внешних факторов – солей, кислот, пыли, агрессивных газов.
  • Высокая стоимость. Сталь дороже цемента, металлокаркас дороже железобетона.
  • В массе МК однотипны и однообразны; изделия из них безлики.


Устранить либо уменьшить недостатки МК можно комбинированием 2 материалов. К примеру, на одном объекте можно совмещать железобетонные колонны и стальные фермы.

Как выбрать лучшего поставщика металлоконструкций?


Ориентируйтесь на возраст, репутацию компании и отзывы. Получите информацию у компаний, ранее строивших идентичные объекты. Посетите специализированные выставки или производства, чтобы оценить технологичность и степень автоматизации оборудования.


Помимо этого, при выборе поставщика стоит обратить внимание на следующие моменты.

  • Прочные, безопасные и безаварийные металлоконструкции изготавливаются на основе расчетов несущей способности. У надежного производителя имеется собственное проектное бюро. Его специалисты производят расчёты с учетом условий эксплуатации объекта.
  • Отдайте предпочтение компании, в штате которой работает специалист по земляным работам и фундаментам.
  • Серьезный поставщик владеет собственной производственной базой. Привлечение подрядчиков чревато снижением качества изделий.
  • Ответственный производитель обеспечивает антикоррозийную защиту изделий. На металлические конструкции наносится слой полимера или лакокрасочные материалы.
  • Наличие гарантии. В течение гарантийного срока поставщик несет ответственность за любые производственные дефекты, проявившие себя в ходе эксплуатации. Соответственно, чем больше заявленный гарантийный срок, тем выше качество изделий и защищенность потребителя.
  • Выбранная вами компания должна иметь допуск СРО.

Плюсы сотрудничества с компанией НовоСтрой

  • Наши производственные цеха оборудованы автоматическими и полуавтоматическими линиями KEMPPI. Имеется покрасочная камера.
  • В качестве сырья используется качественная низкоуглеродистая сталь, которая выдерживает значительные перепады температур и сохранит устойчивость в случае пожара.
  • Налажена работа ОТК и лаборатории неразрушающего (ультразвукового) контроля, ведется мониторинг качества.
  • Имеется допуск СРО, сертификат СМК ISO
  • Наши металлоконструкции, используемые в качестве каркаса здания, — гарантия прочности и безопасности сооружения.
  • Ясная маркировка ускоряет идентификацию деталей при сборке и установке.
  • Честные цены без посреднических надбавок.
  • Возможность возведения объектов «под ключ».

Типы металлоконструкций и их применение

Существует множество факторов, которые трактуют активное использование различных типов металлоконструкций в области строительства. Прежде всего, это сокращает сроки и облегчает процесс создания объектов. Крепкие и безопасные конструкции являются составляющей несущих фасадов, каркасов и кровли. Данные конструкции равномерно распределяет нагрузку на строение и обладают защитными функциями. Необходимо подчеркнуть, что разнообразные типы металлоконструкций подходят не только для строительства быстровозводимых зданий, но и для сооружения ж/д мостов, архитектурных форм, систем коммуникаций и т.д.

Преимущества и недостатки металлоконструкций

Большое количество строящихся объектов на основании металлоконструкций, говорит лишь о том, что данный строительный материал имеют множество преимуществ. Но имеются также и недостатки, с которыми строители легко справляются.

Основные моменты, выделяющие преимущества:

  1. Прочность и надежность. Материалом производства конструкций служат разнообразные сплавы металла, которые имеют статус прочного составляющего, применяемого в строительстве.
  2. Устойчивость и долговечность. Металлоконструкции способны выдержать агрессивное воздействие внешней среды, при соблюдении норм и правил изготовления и монтажа. Гарантия службы металлического каркаса больше пятидесяти лет. Покрывают металлоконструкции полимерами или краской, а после чего подвергаются процессу оцинкования.
  3. Различные варианты сборки. При монтаже металлических конструкций используют болты или сварку.
  4. Возможность установки в любое время года в независимости от климатических осадков, таких как дождь или снег.
  5. Легкость и транспортабельность. Данные преимущества позволяют производить постройку на фундаменте среднего ценового сегмента, а также осуществлять доставку на любом грузовом транспорте.
  6. Низкая стоимость. Если брать в сравнение другие строительные материалы, такие как кирпич, бетонный блок и прочие, то стоимость постройки будет намного ниже.

А вот и пришло время рассказать про недостатки металлоконструкций. К ним можно отнести минимальную пожароустойчивость и склонность к эффекту коррозии при отсутствии специального покрытия, о котором говорилось ранее.

Основные виды металлоконструкций

К списку зданий, возводимых из металлоконструкций, можно отнести: складские помещения, животноводческие комплексы, производственные цеха, с/х хранилища, СТО и автомойки. Большая область применения сподвигла к процессу проектирования и изготовления разного рода типов металлических конструкций, основные из которых мы сейчас и рассмотрим.

Спецификация металлоконструкций по методу изготовления и сборки

К данной группе можно отнести данные варианты:

  • сварные – применяют технологию сварки;
  • кованые – производят способом горячей ковки;
  • болтовые (винтовые) – осуществляется монтаж с помощью метизов;
  • клепаные – соединяют между собой с применением клепок;
  • штампованные – производят способом штампа из листового материала, где отсутствует наличие швов и соединений;
  • комбинированные – при производстве используют нескольких типов, например, сварно-литые, сварно-болтовые и т.д.

Спецификация по типу применения металлоконструкций

К данной спецификации можно отнести три группы металлических конструкций, таких как:

  • Цельнолитые (стационарные). Подходят для стационарного использования, т.е. остаются на месте неизменными;
  • Сборно-разборные. Предназначены для повторной сборки и демонтажа, при необходимости на другом месте;
  • Трансформируемые. Аналогичен предыдущему типу согласно сборке и разборке, но также обладают возможностью сбора другого типа и размера сооружения из тех же комплектующих.

Виды металлоконструкций по назначению

Согласно назначению, металлические конструкции можно разделить на две основные группы:

  • Несущие. Это каркасы, основанные из металлического остова, способствующего придать возводимому зданию жесткость и придать техническую форму;
  • Ограждающие. Обладают защитной функцией. К ним можно отнести: фасадные панели, сэндвич-панели, ограждения и воротные системы и т.д.

Спецификация по типу материала для изготовления

Основным материалом для производства металлоконструкций служит металл, а точнее его сплавы, такие как:

  • сталь
  • чугун;
  • алюминий.

При производстве металлических конструкций, помимо вышеперечисленного списка, допустимо применение и их сочетания. Наша компания ООО «УССК» предлагает для приобретения технологию строительства гибридных сооружений на основе ЛСТК и горячекатаной двутавровой балки. При покупке ЛМК и ЛСТК вы только сэкономите приобретаю прочные и надежные каркасы. Если вы заинтересованы в покупке или у вас остались вопросы, то вы можете уточнить информацию у нашего специалиста по номеру телефона, указанном на сайте, либо заказав обратный звонок.

Металлоконструкции для строительства зданий и сооружений — типы и особенности

Металлоконструкции для строительства зданий и сооружений пользуются большой популярностью при возведении промышленных, коммерческих и гражданских объектов. Подобные несущие элементы характеризуются небольшим весом, простотой устройства и демократичной ценой материалов. Металлоконструкции имеют отличную стойкость к постоянным перепадам температур и влажной среде. Выполнение монтажных работ при строительстве зданий из таких элементов требует привлечения профессионалов в строительной сфере.

Квалифицированные специалисты СК Синмар осуществят экономически выгодное и качественное возведение сооружений из металлоконструкций за короткий период. Во время строительства разных объектов мы строго соблюдаем все государственные стандарты и законодательные нормы. Выполняем монтажные работы под ключ, обеспечивая четкое планирование, логистику и контроль на стройплощадке.

Особенности строительства зданий из металлоконструкций

Металлоконструкции для строительства зданий и сооружений имеют широкую область применения благодаря длительному сроку эксплуатации и высоким прочностным характеристикам. Для их установки не нужно использовать специализированную строительную технику и большое количество персонала, что позволяет значительно уменьшить стоимость монтажных работ. Благодаря конструктивным особенностям таких материалов можно возвести строение из металла практически на любой почве с применением облегченных типов фундамента.  Данные элементы являются основой для большинства современных строительных процессов.

Для возведения сооружений из металлоконструкций любого назначения мы разработаем высокоэффективный проект, в котором будут учтены архитектурные и градостроительные особенности застраиваемой местности. Перед проектированием проведем полный анализ информации о данной территории для определения оптимального местонахождения объекта.

 

При разработке проекта для строительства объекта из металлоконструкций наша команда выполнит следующие работы:

  • подготовит данные об объекте;
  • проведет топографические и геодезические исследования;
  • составит техническое задание;
  • создаст предварительный эскиз;
  • проведет расчет прочностных параметров каркаса;
  • создаст конструкторские и технологические документы;
  • рассчитает смету затрат на строительные работы;
  • согласует разрешительные бумаги на возведение здания.

Создавая чертежную документацию, наши сотрудники скомпонуют металлоконструкции и увяжут их с технологическим разделом проекта. Мы составим бумаги для подвода к сооружению электричества, водопровода, газа, канализации, тепла. При проектировании определимся с подходящими вариантами сборки и перемещения металлоконструкций. Способ доставки данных элементов на объект зависит от их веса.

Вы мечтаете заняться собственным бизнесом и наладить выпуск новой продукции? Тогда заказывайте строительство производственных объектов в СК Синмар, которая четко соблюдает особенности каждой конкретной сферы промышленности. Мы составим грамотную документацию для всех частей строящегося сооружения. Продумаем прокладку внутренних и наружных инженерных сетей и установку современного промышленного оборудования на объекте.

Подберем надежного поставщика стройматериалов и проверенные подрядные компании для проведения узкоспециальных работ.  После окончания строительства наши сотрудники займутся проведением пусконаладочных работ и проверят работоспособность смонтированного оборудования. Мы обеспечим клиента высококачественными и безопасными сооружениями, которые способны четко осуществлять возложенные на них функции.

Основные типы металлоконструкций для строительства зданий

Большинство ограждающих и несущих элементов современных сооружений осуществляются с использованием металлоконструкций, которые состоят из уголка, швеллера и листа из металла. Такие изделия позволяют в короткие сроки возводить объекты на стройплощадках в любое время года. Основным сырьем, применяемым для производства разнообразных металлоконструкций, является сталь с незначительными примесями. Некоторые виды таких элементов изготавливаются из прочного алюминия.

Сегодня применяются различные типы металлоконструкций для строительства зданий, отличающиеся формой и габаритами. Рассмотрим элементы, которые являются наиболее распространенными:

  • Каркасы для сооружений. Сюда относят колонны, балки, фермы.
  • Металлические конструкции для возведения объектов. Среди них разные виды арматурных сеток, материалов из стальных листов, каркасов.
  • Листовые изделия из металлов. К ним относятся разнообразные перекрытия для многоэтажных объектов.
  • Вспомогательные элементы. Они представлены заборами, лестницами, перилами и разными площадками.

При возведении объектов с несущим каркасом применяют вертикально смонтированные колонны, которые соединены с помощью балочных или фермовых перекрытий. Такие методы часто используют при сборке домов, офисных строений, супермаркетов. Модули, произведенные из арочного металлопрофиля, хорошо подходят для возведения ангаров разных размеров. Данные арки монтируются на основании и надежно крепятся при помощи шарниров. Каркасно-тентовые металлические изделия подойдут для возведения временных логистических комплексов, ресторанов, киосков и различных укрытий.

Такие здания представляют собой жесткий и быстро монтируемый каркас. Покрывают его поливинилхлоридными тканями разной толщины и цвета. Также с помощью легких металлоконструкций строят бескаркасные сооружения, собранные из профилированных стальных листов волнистой формы, соединяющихся в секции с вертикальным размещением гофров. Благодаря рифленой форме изделий конструкция устойчива во время сгибов, сжиманий и сдвигов.

Давно мечтаете заняться продажей новых автомобилей? Обращайтесь к сотрудникам СК Синмар и мы осуществим строительство автосалонов по приемлемой цене. При возведении здания наша команда использует инновационные технологии с учетом требований и задумок клиента. Новое строение будет отличаться надежностью, пожаробезопасностью, эстетичным дизайном и прекрасной шумо- и теплоизоляцией. Применение легких металлоконструкций обеспечит быструю окупаемость сооружения и позволит существенно сократить сроки его строительства. Мы предусмотрим место для комфортной парковки посетителей и возведения станции техобслуживания, автомойки, магазина запчастей. Наша команда проконтролирует все этапы монтажных работ и правильное использование средств подрядными компаниями.

Стадии строительства промышленных зданий из металлоконструкций

При возведении промышленных сооружений инженерам необходимо учитывать не только влияние на основание и конструкцию, но и множество динамических нагрузок. Они возникают вследствие перемещения больших механизмов внутри здания. Используемые металлоконструкции легко справятся с данными задачами. Элементы из металла доставляют в готовом виде на строительный участок либо выполняют сборку непосредственно на площадке. Перед возведением объекта мы обязательно сверим количество поставленных изделий с данными из готовой проектной документации.

При строительстве промышленных зданий из металлоконструкций наши сотрудники выполнят следующие работы:

  • создадут проект и утвердят его в соответствующих органах;
  • подберут и закупят необходимые стройматериалы;
  • займутся расчисткой стройплощадки;
  • возведут временные сооружения;
  • приступят к устройству основания;
  • смонтируют основной каркас на вертикальные стойки;
  • займутся обшивкой стен и крыши;
  • установят окна и двери;
  • подведут инженерные сети и системы;
  • выполнят внутренние и наружные отделочные работы;
  • займутся сдачей объекта в эксплуатацию и обустройством прилегающей территории.

Выполняя строительство металлоконструкций, наши специалисты проконтролируют правильное горизонтальное и вертикальное положение всех элементов сооружения. При соединении данных изделий в единую систему полностью придерживаемся строительных и санитарно-гигиенических норм и требований. Основным преимуществом таких зданий является скорость возведения и возможность получения свободного пространства для планирования внутренних помещений любых размеров.

Сегодня у клиентов довольно часто возникает вопрос о возведении зданий для хранения каких-либо материалов или товаров. СК Синмар предлагает заказчикам осуществить строительство ангаров с применением безопасных стройматериалов и минимальными сроками монтажа. Мы предусмотрим создание всех необходимых условий для эффективного хранения любого вида продукции. Подберем оптимальное место расположения ангара с удобным подъездом к нему и возможностью оперативной транспортировки товаров в любой регион.

Применение стальных металлических конструкций и прочных крепежных деталей обеспечит отличную стойкость здания к различным нагрузкам. Также мы продумаем размещение требуемого оборудования и путей передвижения внутри и снаружи объекта.

Основные достоинства возведения объектов из металлоконструкций

С помощью современных металлических изделий можно возводить долговечные и прочные сооружения для любой сферы деятельности. Благодаря использованию таких элементов для монтажа зданий отсутствует необходимость обустройства капитального основания, что позволяет значительно сократить затраты клиента. Данная технология возведения объектов не предусматривает привлечения тяжелой техники.

К преимуществам строительства зданий из металлоконструкций относятся:

  • безопасность;
  • влагоустойчивость;
  • возможность возведения здания на любом виде почвы;
  • доступная стоимость материалов;
  • долгий срок службы;
  • минимальное количество стройматериалов;
  • короткие сроки и простота сборки;
  • отсутствие простоев монтажа при низких температурах.

Обращайтесь в СК Синмар, вас порадуют выгодные цены, а также отличное качество работ по сборке металлоконструкций. Мы возведем здание за короткий период времени и сделаем его энергоэффективным, надежным и комфортным. При появлении вопросов по строительству объектов можете заказать грамотную консультацию нашего специалиста, оставив на сайте свое имя и номер телефона.

основные особенности и технологические процессы

7лет

успешной работы

Квалифицированная команда СК Синмар осуществит установку металлических конструкций за короткий промежуток времени, гарантируя при этом высокий уровень качества монтажа. Применение прочных стальных элементов и надежных крепежных деталей позволяет обеспечить прекрасную стойкость строения к различным типам нагрузок.

Особенности изготовления металлоконструкций

Технологические процессы изготовления металлоконструкций требуют создания замкнутого механического цикла, при котором из металлов разнообразных профилей и габаритов производятся готовые стальные элементы. Данные изделия можно применять в разных направлениях строительства, промышленности, энергетики. Перед непосредственным изготовлением металлических конструкций с клиентом согласовывается проект деталей, на базе которого специалисты учитывают все конструктивные особенности стального материала и строящегося сооружения. После согласования разработок с надзорными государственными органами можно приступать к изготовлению необходимых для будущего монтажа элементов.

Металлические конструкции применяются чаще всего в каркасах объектов как несущие элементы. Зачастую при производстве современных изделий используется прокатная низколегированная и углеродистая сталь. Особенности изготовления металлоконструкций в промышленных либо заводских условиях состоят в том, что готовые изделия могут соединяться разными методами. Разъемные соединения крепятся при помощи саморезов либо болтов, неразъемные – с использованием заклепок, которыми соединяют тонкие листовые конструкции. Применение клепочной технологии требует от специалистов высокого квалификационного уровня подготовки. При использовании болтов их необходимо в обязательном порядке покрыть специализированным защитным составом.

Одним из наиболее надежных способов соединения является сварка. Данные работы бывают разной степени сложности. Первоначально материал обрабатывается пескоструйной машиной, благодаря которой он впоследствии не ржавеет. Сварку требуется доверять исключительно рабочим, которые обладают немалым опытом работы. После завершения данного процесса специалисты по контролю качества должны обязательно проверить прочность всех имеющихся сварных швов. На завершающей стадии стальные элементы окрашиваются для защиты от появления ржавчины.

Технологические процессы изготовления металлоконструкций включают в себя:

  • подготовку металлического проката;

  • выполнение разметки;

  • механическую обработку элементов стальной конструкции;

  • сборку изделий;

  • проведение сварочных работ;

  • отделку;

  • грунтовку элементов густотертой краской;

  • покраску готовых металлических изделий;

  • отгрузка стальных деталей на установку.

Перед осуществлением работ материал очищается от различных загрязнений и сортируется по типам профилей. Гибка стали производится в точном соответствии с радиусом закруглений. После выполнения резки металла необходимо обязательно обработать кромки и удалить заусенцы. Отклонения от номинальных габаритов изделий разных видов не могут превышать значений, которые указаны в строительных нормативных документах. Благодаря соблюдению всех особенностей изготовления металлоконструкций можно достичь отличных показателей производительности труда, высокой степени качества и быстрых сроков строительства объекта.

Вас давно привлекает торговый бизнес? Тогда обращайтесь к сотрудникам СК Синмар, которые осуществят высокоэффективное строительство магазинов с использованием новейших технологий. Наши специалисты займутся разработкой детальных чертежных документов и спецификаций для всех частей строящегося объекта. Мы предусмотрим грамотное расположение торговых залов, складских помещений, а также комнат для администрации и технического персонала. При выборе стройплощадки обязательно учтем архитектурные и экономические нюансы данной территории.

Применение новых типов строительных материалов и сотрудничество с проверенными поставщиками дает возможность уменьшить расходы инвестора на 10-15%. Для строительства магазинов наша команда использует прочные металлические конструкции и популярные сэндвич-панели, которые отличаются быстрой скоростью монтажа и комплектуются внутренним утеплителем. Мы тщательно проконтролируем каждую стадию монтажных работ и правильность расходования средств клиента подрядными и субподрядными компаниями. Займемся установкой современного оборудования, которое будет энергоэффективным и обеспечит минимальный уровень затрат для заказчика при эксплуатации магазина.

Особенности монтажа металлоконструкций 

В технологических процессах монтажа металлоконструкций предусмотрена их сборка на проектных отметках из законченных конструктивных элементов. Непосредственная установка конструкции осуществляется только после подготовки основания и всех требуемых точек-опор. Перед монтажом данных изделий их раскладывают вблизи запланированного места строительства. Для подъема и укладки элементов применяются специализированные передвижные и прислонные башенные краны.

Рассмотрим особенности монтажа металлоконструкций:

  • Установка колонн. Данные элементы крепят к основанию при помощи анкерных болтов. При необходимости использования дополнительных стальных подкладок их обязательно приваривают. В верхней части колонны также скрепляются с помощью болтов либо сварки, потому как данному соединению нужно выдерживать высокую степень нагрузок. После установки колонны и проверки вертикального положения проводят сварку опорной пяты к закладному элементу основания.

  • Установка подкрановых балок. Для подъема и удержания этого элемента применяются две оттяжки. Рабочие удерживают балку от соприкосновения со смонтированными ранее изделиями и придают ей требуемое положение. Временное крепление данного элемента выполняется при помощи анкерных болтов.

  • Монтаж ферм. Первый элемент разворачивается оттяжками и опускается на колонны. Детали сначала крепятся с помощью болтов без сильной натяжки и после выверки закрепляются окончательно. Следующий элемент устанавливается аналогично. Между собой фермы соединяются с помощью прогонов, распорок и связей.

  • Установка настила. Для монтажа применяют листы из нержавейки, покрытые составом для защиты от коррозии. Перед устройством их соединяют в карты для облегчения установки. Листы соединяются заклепками и собираются на горизонтальных стендах. Укладка настила осуществляется на прогоны, которые размещены на фермах. Листы крепятся при помощи специального гайковерта.

Выгоды сотрудничества с профессионалами СК Синмар 

Команда СК Синмар обладает немалым опытом, позволяющим предлагать инвесторам наиболее выгодные решения для строительства коммерческих и промышленных быстровозводимых сооружений. При возведении объектов такого типа наши специалисты строго придерживаются разработанных технологических процессов монтажа металлоконструкций.

При сотрудничестве с СК Синмар клиент получает следующие преимущества:

  • приемлемая стоимость услуг;

  • высокий уровень качества;

  • услуги квалифицированного персонала;

  • быстрое оформление договора;

  • точное выполнение указанных сроков работ;

  • приобретение материалов по ценам производителей.

Хотите заняться выгодным бизнесом и вам необходимо оперативно смонтировать новый долговечный объект? Закажите высокорентабельное строительство быстровозводимых зданий из металлоконструкций у опытных специалистов СК Синмар, которые учтут все требования и желания инвестора. Наша команда при возведении сооружения строго придерживается установленного законодательства и актуальных европейских стандартов качества. Использование инновационного программного обеспечения при составлении проекта дает возможность полностью избавиться от возможного риска допуска разных просчетов и ошибок.

Эффективное сотрудничество с проверенными субподрядчиками и поставщиками требуемых материалов позволяет произвести монтаж быстровозводимого объекта под ключ в срок, указанный клиентом в договоре. Благодаря применению комплексного подхода при разработке проекта и непосредственном возведении сооружения мы сэкономим значительную часть средств заказчика. Использование исключительно качественных и современных материалов позволит нашим сотрудникам сделать смонтированное здание надежным, экологичным, оригинальным, безопасным и максимально удобным. Мы предлагаем заказчикам доступную цену возведения объекта на каждой стадии работ, начиная проектированием и заканчивая обустройством местности вокруг строения.

В случае появления дополнительных вопросов по строительству металлических конструкций каждый клиент может заказать консультацию специалиста компании, оставляя на сайте свои данные.

Виды металлоконструкций, их применение и особенности.

Запросить цену

Ещё в XIX веке человечество начало использовать сложные металлоконструкции – несущий каркас из составных металлических элементов. Их использование было связано со многими сложностями, но обладает и неоспоримыми преимуществами. На сегодняшний день они распространены почти повсеместно – при строительстве станков, аппаратов, механизмов, но чаще всего – при строительстве зданий и массивных сооружений. Прочность и лёгкость сооружения облегчают его эксплуатацию, а простота монтажа и демонтажа делает передвижение крупных объектов на большие расстояния быстрым и удобным.

Для разных целей применяются разные виды металлоконструкций. Какой вариант лучше использовать для высокого здания, что подойдёт для теплицы или крыши, а что применяется в производстве машин – разберём по полочкам.

Принципы разделения

В первую очередь все конструкции, используемые человеком, разделяются по области применения. Конечно, целиком и полностью охватить все варианты, при которых используются сплавы нельзя, но вот основное разделение видов металлоконструкций по назначению.

  • Металлические каркасы – как правило, применяются во время разного рода строительства. Но, в зависимости от того, что именно они поддерживают, области человеческой деятельности затрагивают самые разные, от сельского хозяйства до развлекательной сферы. Также каркасы могут служить вышками для сотовой связи.
  • При строительстве же используются подпорки и эстакады для мостов или наземных переходов. Это очень сложные устройства, требующие знания технологии.
  • Балки – довольно простые конструкции, незаменимые в строительстве. Как и в случае с каркасами могут быть использованы практически во всех сферах человеческой деятельности. |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • Блок-контейнеры используются в том случае, когда делается упор на сохранность и надёжность. Самое частое применение – в дорожной инфраструктуре или складских помещениях.
  • Оцинкованный или же покрытый полимерами прокат – также используется при строительстве, в основном для зданий со сложной схемой.
  • Ограждающие устройства отличаются прочностью и довольно просты в изготовлении. Заборы, решётки – вот примеры таких сооружений.
  • Обслуживающие – к таким относятся простенькие железные стулья или лестницы. Их цель – обеспечение комфорта или безопасности.
  • Все листовые виды металлоконструкций относятся к ёмкостям – к таким относят контейнеры, урны, баки. Используются они как в химической промышленности, та и в сельском хозяйстве.
  • Вспомогательными называются простенькие и, в общем-то, необязательные устройства вроде козырьков.
  • Нестандартные металлоконструкции – то, что не подходит не под один из вышеперечисленного списка.Помимо сфер применения виды металлоконструкций также разделяются в зависимости от их строения.
  • Целостные конструкции, которые по умолчанию остаются на одном и том же месте после установки, при любых условиях, называются стационарными. Практически все конструкции, используемые при строительстве, являются стационарными.
  • Те изделия, что состоят из нескольких деталей, соединённых позже между собой, называются сборными. Чаще всего предполагается, что одна из частей будет двигаться. Как пример можно взять складную лестницу.
  • Тоже состоящие из деталей, но более подвижных и многофункциональных трансформируемые устройства используются в разного рода крупных механизмах.

Не менее важно разделение металлических устройств по технологии соединения – ведь от этого зависят их свойства и прочность.

  • Наиболее лёгким способом является варка металла. Также сварные конструкции легко соединяют в себе разные виды металла, или же элементы разного типа сечения.
  • Клёпанными называются устройства, соединённые при помощи клёпок. Клёпки – довольно эффективный способ для соединения деталей, но они требуют сверления дырки, а это понижает прочность строения в целом.
  • Ковка – отличный вариант для долговечных сборных конструкций, вроде ворот. Это долгий и трудоёмкий процесс, зато получившееся строение может служить очень долго.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • Штампованные устройства отличаются необычной прочностью. Особенность штамповки листовым металлом также в том, что в конце процесса не остаётся швов.
  • Бывает и так, что для изготовления требуется несколько способов соединения металла. Получившиеся в итоге конструкции называются комбинированными.

Вас может заинтересовать:

Строительные металлоконструкции
Нестандартные металлоконструкции

Рекомендуемые статьи

  • Применение теплообменников в химической, нефтехимической и пищевой промышленности

    Технологические процессы синтеза и разложения на фракции сложных веществ основаны на использовании эндотермических и экзотермических реакций. Перераспределение тепла в замкнутом контуре – принцип работы установки. Теплообменники в химической промышленности являются основным оборудованием, наравне с реакторами и ректификационными колоннами. В пищевой промышленности стерилизация и обеззараживание продуктов происходит при…

  • Как правильно заправить газгольдер

    Современные газгольдеры заправляют 1-3 раза в год. Количество заправок определяется номинальной емкостью резервуара, предназначенного для хранения СУГ, и интенсивностью использования газа. Что же касается непосредственно самого процесса заправки, то специалисты рекомендуют разделять его на три основных этапа:
    1. Выбор сезона для заправки
    Лучшим временем года для заправки газгольдера считается период с февраля по июль. Именно в…

  • Снижение экспортной пошлины на нефть

    В виду непредсказуемых скачков национальной валюты, цена на нефть стала объектом пристального внимания не только экспертов-экономистов и биржевых маклеров, но и обычного гражданина. Рубль привязан к нефти, нефть — к доллару. Влияние котировок черного золота на экономику России очевидно: растут цены, страдает социальный сектор и т.д. В сложившейся ситуации Правительство РФ вынуждено маневрировать, принимая определенные изменения…

  • Для чего нужен газгольдер и его устройство

    Газгольдер – это цилиндрическая емкость из металла, оснащенная специальным оборудованием и предназначенная для закачивания, подачи и непосредственно хранения газа (обычно – смесь углекислого газа, пропана и бутана) в сжиженном виде. Агрегат может монтироваться наземным и подземным способом, последний – более распространен.
    Для чего нужен газгольдер
    Компактное газохранилище устанавливают для того, чтобы решить проблему…

Первичные металлические кристаллические структуры

Первичные металлические кристаллические структуры
(BCC, FCC, HCP)

Как указывалось на предыдущей странице, в природе существует 14 различных типов структур кристаллических элементарных ячеек или решеток. Однако большинство металлов и многие другие твердые тела имеют структуры элементарных ячеек, описываемые как кубический центр тела (ОЦК), гранецентрированный кубический (ГЦК) или Гексагональный плотноупакованный (ГПУ). Поскольку эти конструкции наиболее распространены, о них будет рассказано более подробно.

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура
Объемно-центрированная кубическая элементарная ячейка имеет атомы в каждом из восьми углов куба (как и кубическая элементарная ячейка) плюс один атом в центре куба (левое изображение ниже). Каждый из угловых атомов является углом другого куба, поэтому угловые атомы разделяются между восемью элементарными ячейками. Считается, что она имеет координационное число 8. Элементарная ОЦК-ячейка состоит всего из двух атомов; один в центре и восемь восьмых от углов атомов, как показано на среднем изображении ниже (среднее изображение ниже).На изображении ниже выделена элементарная ячейка в большей части решетки.

Расположение ОЦК не позволяет атомам упаковываться вместе так же тесно, как расположение ГЦК или ГПУ. ОЦК-структура часто представляет собой высокотемпературную форму металлов, которые плотно упакованы при более низких температурах. Объем атомов в ячейке от общего объема ячейки называется коэффициентом упаковки . Элементарная ячейка с ОЦК имеет коэффициент упаковки 0,68.

Некоторые из материалов со структурой ОЦК включают литий, натрий, калий, хром, барий, ванадий, альфа-железо и вольфрам.Металлы с ОЦК-структурой обычно тверже и менее пластичны, чем плотноупакованные металлы, такие как золото. При деформации металла плоскости атомов должны скользить друг по другу, а это сложнее в ОЦК-структуре. Следует отметить, что существуют другие важные механизмы упрочнения материалов, такие как появление примесей или дефектов, затрудняющих скольжение. Эти механизмы упрочнения будут рассмотрены позже.

Гранецентрированная кубическая структура (FCC)
Гранецентрированная кубическая структура имеет атомы, расположенные в каждом из углов и в центре всех кубических граней (левое изображение ниже).Каждый из угловых атомов является углом другого куба, поэтому угловые атомы разделяются между восемью элементарными ячейками. Кроме того, каждый из его шести атомов с центрированной гранью является общим с соседним атомом. Поскольку 12 его атомов являются общими, считается, что оно имеет координационное число 12. Элементарная ячейка с ГЦК состоит всего из четырех атомов; восемь восьмых от угловых атомов и шесть половинок лицевых атомов, как показано на среднем изображении выше. На изображении ниже выделена элементарная ячейка в большей части решетки.

В структуре ГЦК (и структуре ГПУ) атомы могут упаковываться ближе друг к другу, чем в структуре ОЦК. Атомы из одного слоя гнездятся в пустом пространстве между атомами соседнего слоя. Чтобы изобразить упаковку, представьте коробку, заполненную слоем шариков, выровненных по столбцам и рядам. Когда несколько дополнительных шаров брошены в коробку, они не будут балансировать непосредственно поверх шаров в первом слое, а вместо этого остановятся в лунке, созданной между четырьмя шарами нижнего слоя.По мере добавления шаров они будут складываться вместе, чтобы заполнить все карманы. Фактор упаковки (объем атомов в ячейке от общего объема ячейки) составляет 0,74 для ГЦК кристаллов. Некоторые из металлов, имеющих структуру ГЦК, включают алюминий, медь, золото, иридий, свинец, никель, платину и серебро.

Гексагональная плотноупакованная структура (HCP)
Другой распространенной плотноупакованной структурой является шестиугольная плотноупакованная структура. Гексагональная структура чередующихся слоев смещена так, что ее атомы выровнены по зазорам предыдущего слоя.Атомы из одного слоя гнездятся в пустом пространстве между атомами соседнего слоя, как и в ГЦК-структуре. Однако вместо кубической структуры узор имеет шестиугольную форму. (См. Изображение ниже.) Разница между структурами HCP и FCC обсуждается позже в этом разделе.

ГПУ-структура состоит из трех слоев атомов. В каждом верхнем и нижнем слое есть шесть атомов, которые образуют форму шестиугольника, и седьмой атом, который находится в середине шестиугольника.В среднем слое расположены три атома, расположенные в треугольных «канавках» верхней и нижней плоскости. Обратите внимание, что существует шесть таких «канавок», окружающих каждый атом в гексагональной плоскости, но только три из них могут быть заполнены атомами.

Как показано на среднем изображении выше, в элементарной ячейке ГПУ шесть атомов. Каждый из 12 атомов в углах верхнего и нижнего слоев вносит 1/6 атома в элементарную ячейку, два атома в центре шестиугольника как верхнего, так и нижнего слоев каждый вносят ½ атома, а каждый из трех атомов в средний слой вносят 1 атом.Изображение справа выше пытается показать несколько элементарных ячеек ГПУ в большей решетке.

Координационное число атомов в этой структуре равно 12. В одном и том же плотноупакованном слое есть шесть ближайших соседей, три в слое выше и три в слое ниже. Фактор упаковки составляет 0,74, что соответствует элементарной ячейке с ГЦК-ячейкой. ГПУ-структура очень распространена для элементарных металлов, и некоторые примеры включают бериллий, кадмий, магний, титан, цинк и цирконий.

Металлы

Металлы

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты.Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокую температуру плавления, термическую и электрическую проводимость и ударную вязкость. Из таблицы Менделеева видно, что большое количество элементов классифицируется как металл. Ниже представлены некоторые из распространенных металлов и их типичное использование.

Обычные металлические материалы

  • Железо / Сталь — Стальные сплавы используются для критически важных приложений
  • Алюминий — Алюминий и его сплавы используются, потому что их легко формовать, они легко доступны, недороги и пригодны для вторичной переработки.
  • Медь — Медь и медные сплавы обладают рядом свойств, которые делают их полезными, включая высокую электрическую и теплопроводность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость.
  • Титан — Титановые сплавы используются для обеспечения прочности при более высоких температурах (~ 1000 ° F), когда вес компонента является проблемой или когда требуется хорошая коррозионная стойкость.
    Никель

  • — Никелевые сплавы используются при еще более высоких температурах (~ 1500-2000 ° F) или когда требуется хорошая коррозионная стойкость.
  • Огнеупорные материалы используются при самых высоких температурах (> 2000 ° F).

Ключевой особенностью, которая отличает металлы от неметаллов, является их связь. В металлических материалах есть свободные электроны, которые могут легко перемещаться от одного атома к другому. Существование этих свободных электронов имеет ряд серьезных последствий для свойств металлических материалов. Например, металлические материалы имеют тенденцию быть хорошими электрическими проводниками, потому что свободные электроны могут свободно перемещаться внутри металла.Подробнее о структуре металлов мы поговорим позже.

Руководство по типам металлов и сплавов: свойства и области применения

Таблица с механическими свойствами обычных типов металлов. Значения зависят от термической обработки, механического состояния или массы металла.

Прочность — это способность металла избегать структурных повреждений за счет устойчивости к внешним напряжениям или нагрузкам. Удельное напряжение, измеряемое в фунтах на квадратный дюйм, является пределом прочности.При испытании на растяжение материал не может разорваться при медленном приложении большой нагрузки.

Самое сильное известное вещество — вольфрам-молибден. Следующими по прочности идут технически чистые металлы, никель и титан.
Чистое железо — более слабый материал. Однако железо, легированное углеродом (также известное как сталь), прочнее всех металлов, кроме вольфрама.

    1. Прочность на разрыв :
      Что такое предел прочности на разрыв или предел прочности?

      Прочность на растяжение определяется как максимальная нагрузка при растяжении, которую материал может выдержать до разрушения, или способность материала сопротивляться растяжению под действием противоположных сил.Также известный как предел прочности, это максимальная прочность, развиваемая в металле при испытании на растяжение.

      Прочность металла на растяжение — это количество фунтов силы, необходимое для разрыва стержня из материала шириной 1,0 дюйм и толщиной 1,0 дюйма

      Как определяется предел прочности металла при растяжении?

      Поведение металла при действительной растягивающей нагрузке называется испытанием на растяжение. Это испытание позволяет определить предел упругости, уменьшение площади, предел текучести, предел текучести и удлинение металла.Значение присваивается прочности металла (предел прочности), выраженной в килопаскалей (кПа) или фунтах на квадратный дюйм (psi). Выражаясь по-другому; Предел прочности на разрыв — это сила в фунтах, необходимая для того, чтобы взять пруток материала и разорвать его на части шириной 24,5 мм (1 дюйм) и толщиной 25,4 мм (1,0 дюйм)

    2. Прочность на сдвиг :

      Что означает прочность на сдвиг?

      Способность металла сопротивляться разрушению противоположными силами, действующими не по прямой линии, или сопротивляться разрушению противоположными силами, действующими по прямой линии, но не в той же плоскости, является прочностью на сдвиг.

      Прочность на сдвиг — это способность металла противостоять разрушению противодействующими силами, действующими не по прямой линии, или способность материала противостоять разрушению противодействующими силами, действующими по прямой линии, но не в той же плоскости

    3. Усталостная прочность :

      Что такое определение усталостной прочности металла?

      При большом количестве поворотов максимальная нагрузка, которую материал может выдержать без разрушения, — это усталостная прочность.

      Вращающийся вал, поддерживающий груз, имеет сжимающие силы в нижней части вала и растягивающие силы в верхней части вала. При вращении вала происходит повторяющееся циклическое изменение прочности на сжатие и растяжение. Конструкция таких конструкций, как крылья самолета, которые подвергаются быстро меняющимся нагрузкам, требует значений усталостной прочности. На усталостную прочность влияют состояние поверхности, микроструктура, холодная обработка и коррозионная среда.

      При частом повторении напряжения некоторые металлы выйдут из строя или разорвутся, даже если достаточное напряжение может не привести к остаточной деформации при непрерывном воздействии в течение относительно короткого времени.Повторение напряжения может происходить в таких местах, как хвостовик перфоратора. Чередование стрессов может привести к отказу быстрее, чем повторение стресса. Под вариациями напряжения понимается попеременное сжатие и растяжение любого материала. Определение усталости — это разрушение сплавов и металлов, которые подвергаются переменным или повторяющимся напряжениям, слишком малым для создания остаточной деформации при статическом применении.

    4. Прочность на сжатие :

      Что такое определение прочности на сжатие?

      Максимальная нагрузка при сжатии, которую материал может выдержать заданную величину деформации, или способность материала выдерживать давления, действующие в заданной плоскости, является прочностью на сжатие.

      Прочность на сжатие как чугуна, так и бетона превышает их предел прочности на разрыв. Для большинства материалов верно обратное.

Способность выдерживать давления в заданной плоскости или максимальную нагрузку при сжатии, которую материал будет выдерживать до того, как заданная величина деформации станет прочностью на сжатие.

Эластичность

Что такое эластичность металла?

Способность металла возвращаться к своему первоначальному размеру, форме и размерам после того, как он потерял форму, растянулся или деформировался, является эластичностью.Точка, в которой начинается необратимое повреждение, является пределом упругости. Точка, когда определенное повреждение происходит при небольшом увеличении нагрузки или без увеличения нагрузки, является пределом текучести. Количество фунтов на квадратный дюйм (килопаскали), необходимое для деформации или повреждения до предела текучести, называется пределом текучести.

Что такое модуль упругости?

Отношение внутреннего напряжения к производимой деформации — это модуль упругости. Он выражает жесткость материала.Для стали и большинства металлов это свойство является постоянным и очень мало зависит от термической обработки, горячей или холодной обработки или фактического предела прочности металла.

Что такое закон Гука?

Согласно закону Гука: «Степень, в которой упругое тело изгибается или растягивается, принимая форму, прямо пропорциональна силе (напряжению), действующей на него». Но этот закон применяется только в определенном диапазоне.

Пластичность

Какое определение пластичности металла?

Свойство, которое позволяет металлу растягиваться без разрыва или изменяться, в то же время не ломаясь, называется пластичностью металла.Это способность материала, такого как медь, постоянно растягиваться или вытягиваться без разрушения. Испытание на растяжение может определить пластичность металла путем измерения процента удлинения. Недостаток пластичности — это когда вы не видите необратимых повреждений до того, как металл сломается или потрескается (например, в чугуне).

В частности, способность вытягиваться от большего диаметра к меньшему диаметру проволоки — это пластичность. Эта операция подразумевает как удлинение, так и уменьшение площади.

Пластичность — это способность металла такого типа, как медь, вытягиваться или растягиваться под нагрузкой растяжения и постоянно деформироваться без разрушения или разрыва.

Пластичность

Что такое пластичность металла?

Пластичность — это способность металла, такого как свинец, серебро или золото, сильно деформироваться без разрушения. Пластичность подобна пластичности.

Пластичность и прочность считаются двумя наиболее важными свойствами, которыми может обладать металл.

Ковкость

Ковкость — это способность материала постоянно деформироваться при сжатии без разрушения или разрыва. Именно это свойство позволяет прокатывать и штамповать металлы в тонкие листы.

Ковкость — это свойство металла, если он может быть деформирован или сжат в прокатные листы

Большинство металлов обладают повышенной ковкостью и пластичностью при более высоких температурах. Например, железо и никель очень пластичны при нагревании до ярко-красного цвета.

Различные металлы не обладают одинаковыми двумя свойствами: пластичностью и пластичностью в одинаковой степени. Олово, серебро, свинец и золото обладают высокой пластичностью. Золото обладает исключительной пластичностью, и его можно свернуть в листы, достаточно тонкие, чтобы пропускать свет. Олово и свинец относительно пластичны, но у них нет прочности на разрыв, необходимой для получения тонкой проволоки.

Уменьшение площади

Это показатель пластичности. Он берется из испытания на растяжение после разрушения путем записи исходной площади поперечного сечения образца в площадь поперечного сечения.

Хрупкость

Свойство, противоположное пластичности или пластичности, — хрупкость. Он может лопнуть при небольшой деформации. Твердые металлы часто бывают хрупкими. Термины не должны быть синонимами или путать. Хрупкий металл — это металл, который не может быть заметно деформирован навсегда, или металл, не обладающий пластичностью.

Хрупкость металла, продемонстрированная неисправностью

Внезапный отказ называют «хрупкостью». Это происходит, когда металл ломается без предупреждения или без постоянно видимой деформации.Когда металл достигает предела упругости, он не имеет большого сопротивления разрыву.

Прочность

Прочность — это сочетание средней пластичности и высокой прочности. Это способность материала или металла противостоять разрушению, а также способность противостоять разрушению после того, как повреждение началось. Закаленный металл, такой как холодное долото, может выдерживать значительные нагрузки, внезапные, медленные или приложенные, и который деформируется до выхода из строя. Прочность — это способность материала противостоять началу постоянной деформации, а также способность противостоять ударам или поглощать энергию.

Способность материала поглощать энергию, включая энергию как пластической деформации, так и упругости, при постепенно прикладываемой нагрузке, называется ударной вязкостью. Вообще говоря, вязкость относится как к пластичности, так и к прочности. Таким образом, низкопрочное легко деформируемое вещество оказывается вязким. Материал высокой прочности, но с небольшой пластичностью, такой как закаленная инструментальная сталь, также не является прочным. Настоящий прочный металл — это такой металл, который быстро распределяет внутри себя как результирующую деформацию, так и напряжение, вызванное быстро приложенной нагрузкой.

Обрабатываемость и свариваемость

Свойство обрабатываемости и свариваемости — это легкость или сложность, с которой типы металлов поддаются механической обработке или сварке.

Сопротивление

Определение сопротивления истиранию

Сопротивление трению — это сопротивление истиранию.

Накладная износостойкая пластина из карбида хрома для обеспечения устойчивости к истиранию

Определение коррозионной стойкости и усталости

Устойчивость к атмосферному износу или разъеданию, влаге или другим агентам, таким как кислота, является коррозионной стойкостью.

Коррозионно-стойкие алюминиевые панели

Видом усталостного разрушения является коррозионная усталость, при которой предел выносливости снижается из-за коррозии с образованием ямок, которые действуют как центры развития усталостных трещин. Кроме того, когда усталостные напряжения разрушают любую металлическую защитную пленку, коррозия создает полости, которые распространяются через трещины в пленке, действуя как стрессоры.

Если изношенная металлическая деталь подвергается воздействию коррозионных агентов, таких как масло, которое не очищено от кислоты или влажной атмосферы, напряжение, необходимое для разрушения, снижается.Удельное напряжение прочной термически обработанной легированной стали, подверженной коррозионной усталости, будет не более, чем относительно слабой конструкционной стали. Очень важно защитить поверхности материалов, подверженные усталости, от коррозии путем гальванизации и гальванизации.

Ударопрочность

Стойкость металла к ударам оценивается по ударной вязкости. Металл может обладать удовлетворительной пластичностью при статических нагрузках, но может разрушиться при динамических нагрузках или ударах. Ударная вязкость металла определяется путем измерения энергии, поглощенной в трещине.

Твердость

Что такое твердость металла?

Способность металла сопротивляться проникновению и износу другим металлом или материалом называется твердостью. Чтобы выдержать тяжелые удары, требуется сочетание прочности и твердости. Твердость металла ограничивает легкость его обработки, поскольку твердость увеличивается с уменьшением ударной вязкости.

Термическая обработка позволяет упрочнить сталь. Причина термической обработки стали состоит в том, чтобы сделать сталь более подходящей, структурно и физически, для каждого конкретного применения.

В таблице ниже показана твердость различных металлов.

Твердость — это способность металла сопротивляться износу и проникновению другого металла или материала. Чтобы выдержать тяжелые удары, требуется сочетание твердости и прочности.

Продолжение таблицы преобразования твердости металла

Типы металлов: испытания на твердость
  • Испытание на твердость по Бринеллю : шар из закаленной стали медленно прижимается известной силой к испытываемой металлической поверхности.Измеряется диаметр вмятины на поверхности. С помощью стандартных таблиц определяется число твердости по Бринеллю (bhn).
  • Испытание на твердость по Роквеллу: В этом испытании измеряется любое отклонение между глубиной, на которую контрольная точка вдавливается в металл легкой нагрузкой, и глубиной, на которую она вбивается тяжелой нагрузкой. Сначала применяется легкая нагрузка. Затем, удерживая деталь в неподвижном состоянии, прикладывается большая нагрузка. Циферблат показывает номер твердости. Буквенные обозначения, такие как B и C по шкале Роквелла, указывают количество тяжелой нагрузки и тип используемого пенетратора.
  • Испытание на твердость склероскопом: Твердость измеряется с помощью молотка с алмазным наконечником, который падает под собственным весом с фиксированной высоты и отскакивает от поверхности. Шкала измеряет отскок от гладкой поверхности.

Механические свойства металлов
(в порядке собственности)

Как идентифицировать металлы

Когда вы выбираете типы металлов для использования в производстве, для выполнения механического ремонта или даже для определения того, поддается ли металл сварке, вы должны быть в состоянии определить его основной тип.Некоторые методы полевой идентификации металла могут использоваться для идентификации металлического предмета. Вот некоторые распространенные методы:

  • внешний вид поверхности
  • искровое испытание
  • чип тест
  • магнитный тест
  • испытание на твердость

Бесплатные брошюры по типам металлов

Типы металла: характеристики, плюсы и минусы каждого типа, общее применение

Механические свойства металлов: таблица с ранжированием металлов на основе механических свойств

Список литературы

Структура металлов
Университет Иллинойса

Металлы и сплавы
Химические реакции, механизмы, органическая спектроскопия

Типы конструкций арок в зависимости от формы, материала, изготовления

Имя пользователя *

Электронное письмо*

Пароль*

Подтвердить Пароль*

Имя*

Фамилия*

Страна

Выберите страну … Аландские острова IslandsAfghanistanAlbaniaAlgeriaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelauBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Санкт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийского океана TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканского RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongo (Браззавиль) Конго (Киншаса) Кук IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraÇaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Территорий нг КонгВенгрияИсландияИндияИндонезияИранИракОстров МэнИзраильИталия Кот-д’ИвуарЯмайкаЯпонияДжерсиИорданияКазахстанКенияКирибатиКувейтКиргизияЛаосЛатвияЛебанЛезотоЛиберияЛибияЛихтенштейнЛихтенштейнЛитва ЮжныйAR, ChinaMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorwayOmanPakistanPalestinian TerritoryPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalQatarRepublic из IrelandReunionRomaniaRussiaRwandaSão Tomé и PríncipeSaint BarthélemySaint HelenaSaint Китса и NevisSaint LuciaSaint Мартин (Голландская часть) Сен-Мартен (французская часть) Сен-Пьер и MiquelonSaint Винсент и GrenadinesSan MarinoSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Грузия / Sandwich ОстроваЮжная КореяЮжный СуданИспанияШри-ЛанкаСуданСуринамШпицберген и Ян-МайенСвазилендШвецияШвейцарияСирияТайваньТаджикистанТанзанияТаиландТимор-ЛештиТогоТокелауТонгаТринидад и ТобагоТунисТурция ТуркменистанТуркс и Острова КайкосТувалуУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобритания (Великобритания) США (США) УругвайУзбекистанВануатуВатиканВенесуэлаВьетнамУоллис и ФутунаЗападная СахараЗападное СамоаЙеменЗамбияЗимбабве

Captcha *

Регистрируясь, вы соглашаетесь с Условиями использования и Политикой конфиденциальности.*

Наноструктуры из благородных металлов Влияние структуры и окружающей среды на их оптические свойства

Широко обсуждаются оптические свойства наноструктурированных материалов, изолированных наночастиц и структур, состоящих как из металлов, так и из полупроводников. Основы происхождения поверхностных плазмонов, а также определение резонанса поверхностных плазмонов описаны и задокументированы на ряде примеров. Особый интерес представляют локализованное восприятие плазмонов и спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением поверхности, поскольку эти методы по своей природе связаны с прямым применением плазмонных структур.Документирована возможность настройки оптических свойств ультратонких металлических слоев путем управления их формой и морфологией с помощью отжига после осаждения. Особое внимание уделяется вкладу биметаллических частиц и слоев, а также металлических структур, заключенных в полупроводники и диэлектрики, в оптический отклик. Возможность настраивать свойства материалов в широком диапазоне значений открывает совершенно новые возможности применения оптических активных структур.Природа поверхностных плазмонов предопределяет, что наноструктуры благородных металлов являются многообещающими материалами для разработки современных методов безметочного зондирования, основанных на плазмонном резонансе — зондирования SPR и LSPR.

1. Введение

Решающее влияние тонкой структуры материалов на различные механические, магнитные и электронные свойства было признано в конце 19 века. Такое направление мысли, кажется, начинается с новаторской работы по механическим свойствам сплавов железа.Эти исследования привели к выводу, что мелкомасштабная микроструктура, сохраняющаяся после аллотропного превращения сплавов железа, придает мартенситу его твердость. Открытие дисперсионного твердения в 1906 году было первым наблюдением, предполагающим, что корреляция между микроструктурой и свойствами (первоначально предложенная только для черных сплавов) применима и к цветным материалам. Многочисленные наблюдения в последующие годы подтвердили и обобщили эту точку зрения и привели к классификации свойств твердых тел с различными типами химической связи на чувствительные к микроструктуре и нечувствительные к микроструктуре.Физическое понимание механизмов, с помощью которых ультратонкие микроструктуры влияют на свойства твердых тел, получило значительный импульс после появления теории дефектов решетки и появления новых методов определения характеристик с высоким разрешением, таких как электронная и полевая ионная микроскопия. Обе разработки помогли выяснить физическую основу для понимания корреляции между структурно-чувствительными свойствами и микроструктурой твердых тел. Второй период разработок в области наноматериалов начался, когда было признано, что модификация структуры приводит к генерации новых атомных и электронных структур в твердых телах [1].

Объемные благородные металлы известны своей высокой теплопроводностью и электропроводностью, особыми механическими свойствами и высокой отражательной способностью падающего излучения. Эти свойства обусловлены их кристаллической структурой и наличием делокализованных электронов — наличием электронного газа. С уменьшением толщины металлических пленок можно наблюдать новые свойства материала. Оптические свойства не являются исключением, и во внешнем виде материала того же состава, но с другой наноструктурой можно увидеть большой сдвиг.Например, объемное золото известно как блестящий желтый благородный металл, который не тускнеет. Гладкие тонкие пленки одного и того же металла кажутся непрозрачными, а наноструктурированная поверхность, покрытая островками золота, кажется прозрачной с изменением цвета от синего до красного или даже зеленого в зависимости от размера структуры. Таким образом, мы можем сказать, что просто изменяя размер частиц или морфологию материала, сохраняя его химический состав, мы можем получить структуры с совершенно разными свойствами. Эта настройка свойств путем управления наноструктурой материалов оказалась очень полезной в конкретных приложениях.

2. Принципы

Хорошим примером настройки электронной структуры материала путем изменения структурных свойств являются наночастицы CdS. Контролируя размер этих полупроводниковых наночастиц в диапазоне 2–5 нм, ширину запрещенной зоны материала можно регулировать в пределах от 4,5 до 2,5 эВ [4]. Уменьшение радиуса наночастиц приводит к увеличению ширины запрещенной зоны с уменьшением максимума валентной зоны и увеличением минимума зоны проводимости, что вносит одинаковый вклад.Это очень хорошо видно по цвету флуоресценции коллоидного раствора (рис. 1 (а)). Обычно считается, что кластеры из примерно 200 атомов уже имеют такую ​​же элементарную ячейку и длину связей, что и объемный материал, но в случае полупроводников II – VI, таких как CdS, для объемного поведения необходимо не менее 10 4 атомов. полностью развить [5]. Это вызвано высокой долей поверхностных атомов в частицах такого размера. Повышенное влияние неровной поверхности с высокой плотностью перегибов, краев и углов приводит к наличию поверхностных состояний, которые могут захватывать электроны и дырки и значительно изменять оптические и электронные свойства материала.Сдвиги позиций полос с различным размером частиц в спектрах оптического поглощения металлических наночастиц напоминают таковые для полупроводниковых кластеров (сравните рисунки 1 (а) и 1 (б)). Однако природа резонансного поглощения в этом случае может быть совершенно иной. Поглощение из-за межзонных переходов электронов часто играет роль (при уменьшении размера металлической частицы может образовываться запрещенная зона, приводящая к переходу свойств материала от металла к полупроводнику или изолятору), но присутствующие делокализованные электроны проводимости могут возбуждаться коллективно в поверхностные плазмоны также имеют большое влияние на механизм эволюции и происхождение определенных полос поглощения в спектрах [6].

2.1. Поверхностные плазмоны и датчик поверхностного плазмонного резонанса (SPR)

Мы уже заявляли, что уменьшение размера основных структурных элементов приводит, среди прочего, к изменению оптического отклика материала. Большая часть этих изменений вызвана усилением влияния определенных электромагнитных поверхностных мод — когерентных флуктуаций зарядов электронов на границе металла, называемых поверхностными плазменными колебаниями или плазмонами. Возбуждение поверхностных плазмонов происходит, когда поверхность металла подвергается воздействию поступающих электронов или фотонов.Плазмоны прочно привязаны к падающей поверхности с максимальной интенсивностью у поверхности и быстро исчезают с увеличением расстояния от поверхности. Поэтому они очень чувствительны к свойствам поверхности. Чтобы фотоны возбуждали плазмоны на гладкой металлической поверхности, необходимо применение решетки или связи с ослабленным полным отражением (НПВО), чтобы удовлетворить потребность в соответствующих волновых векторах возбужденного поверхностного плазмона. На шероховатых поверхностях, а также на решетках с соответствующими параметрами поверхностные плазмоны могут обратно превращаться в свет.Это световое излучение может играть важную роль в характеристике шероховатости поверхности металла [7].

Длина распространения поверхностных плазмонов как на поверхности металла, так и в окружающей среде определяется их диссипацией за счет внутреннего и радиационного затухания. Внутреннее затухание вызывается возбуждением электронно-дырочных пар на уровне Ферми металла с последующим девозбуждением с образованием фононов и, таким образом, нагревом материала (этот процесс можно наблюдать с помощью фотоакустических измерений) и испусканием фотоэлектронов.Радиационное затухание заключается в преобразовании затухающей волны поверхностного плазмона в плоскую волну. Этот процесс характерен для системы с двумя интерфейсами, такой как устройство ATR. Схема с использованием связи НПВО для возбуждения поверхностных плазмонов в настоящее время хорошо известна и используется в устройствах обнаружения, которые оценивают зависимость угла падения, при которой резонанс поверхностных плазмонов достигает своего максимума (когда частота связанных фотонов совпадает с частотой коллективных электронных колебаний) на среде, окружающей тонкую металлическую пленку (рис. 2).Методы обнаружения SPR оказались очень полезными для изучения биологических взаимодействий в их естественном состоянии (или как можно ближе), поскольку по сравнению со стандартными методами обнаружения нет необходимости в маркировке. Этикетки могут влиять на взаимодействие между биомолекулами, поэтому предпочтительны методы без меток. Однако есть также проблемы с датчиками SPR по сравнению с другими типами устройств обнаружения (в основном иммуноанализами) из-за недостаточно высокой чувствительности датчиков SPR и необходимости интеграции их в сложную оптическую систему для возбуждения поверхностных плазмонов. , что затрудняет их применение в обычных лабораторных условиях.Существует ряд недавних обзоров, специально посвященных области SPR-зондирования и биосенсинга [8, 16, 17].

2.2. Локализованные плазмоны и поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия (SERS)

Чтобы исключить необходимость в сложной оптике связи, можно использовать наноструктурированные слои изолированных островков. В этих структурах можно возбуждать поверхностные плазмоны простым использованием входящего излучения без необходимости в связи НПВО или решетках, благодаря естественно гофрированной поверхности металлического слоя.Природа этих плазмонов немного отличается от плазмонов, наблюдаемых на гладких поверхностях, поскольку они не распространяются, а локализуются в небольшой области ограничения, которую предлагает им наноструктура. Шероховатая поверхность металла была смоделирована с использованием прослоек CaF 2 различной толщины, что обеспечивает поверхности с четко определенными свойствами [18, 19]. Уменьшение фазовой скорости поверхностных плазмонов, вычисленное из этой моделируемой границы раздела, является следствием многократного рассеяния на шероховатой поверхности (рассеяние плазмона в новом направлении с последующим повторным рассеянием в исходном направлении плазмона, приводящим к уменьшению фазовой скорости в сохраненном направлении ).Затухание поверхностных плазмонов определяется излучением света в воздушное пространство. Эксперименты с монохроматическим лазерным светом на длине волны 1060 нм, направленным на шероховатые металлические поверхности под углом 45 °, показывают, что в спектре рассеянного света отраженного луча сигнал второй гармоники входящего света (530 нм) значительно усиливается по сравнению с отражением на гладкие металлические поверхности [20]. Это вызвано сильным усилением локального электромагнитного поля в металле в резонансе с падающим излучением.Этот эффект был использован при разработке метода SERS; Было подтверждено, что усиление рамановского сигнала в основном связано с электромагнитным эффектом, а не с химическим взаимодействием между адсорбированной молекулой и металлом. С момента открытия этого эффекта в 1970-х годах сильно усиленные рамановские сигналы были проверены для множества различных молекул, прикрепленных к различным шероховатым металлическим поверхностям (рис. 3). Расчетные коэффициенты усиления рамановского сигнала варьируются от умеренных коэффициентов 10 3 –10 5 до коэффициентов усиления примерно 10 10 –10 11 для молекул красителя в экспериментах по поверхностно-усиленной резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния (SERRS) .Хотя возможности одной молекулы открывают захватывающие перспективы для SERS в качестве инструмента в лабораторной медицине и для фундаментальных исследований в биофизике, некоторые экспериментальные наблюдения все еще вызывают некоторые споры и еще не полностью поняты. Вместе с ограничениями, связанными с тем фактом, что целевые молекулы должны быть прикреплены к SERS-активным субстратам, таким как структуры серебра или золота нанометрового размера, это приводит к тому, что SERS еще не является широко распространенным методом зондирования. Несмотря на эти проблемы, этот метод остается в центре внимания многих исследовательских групп [9, 21–23].

2.3. Металлические наночастицы и теория Mie

Свойства локализованных поверхностных плазмонов изучаются в течение долгого времени, поскольку свойства наноструктурированных металлических поверхностей на изолирующих подложках, металлических наночастицах и коллоидных растворах заметно зависят от эффектов локализованного поверхностного плазмонного резонанса. Уже в 1908 году Ми осознал, что субмикроскопические золотые сферы отличаются по своим оптическим свойствам от золота в виде атомов, и что можно было бы изучить оптическое поглощение коллоидных растворов, чтобы исследовать, как состоят частицы золота.Теория, построенная Ми на основе уравнений Максвелла, в настоящее время используется для объяснения частотно-зависимой реакции сферических металлических частиц на электрическое поле. Согласно этой теории, отклик определяется действительной и мнимой частями диэлектрической функции. Положение, ширина и высота полос плазмонных колебаний, описываемых в этой теории как стоячие волны, сильно зависят от диэлектрической проницаемости и радиуса частицы [24]. Другими факторами, влияющими на поверхностные плазмоны в металлических кластерах, являются состав и форма [25].Металлические кластеры с размером выше критического значения (обычно радиусом около 5 нм) демонстрируют красное смещение поверхностного плазмонного резонанса. Этот сдвиг увеличивается с увеличением размера частицы. Очень мелкие частицы теряют металлический характер, а их плазмоны подавляются. Например, длина волны поверхностного плазмонного резонанса золотых наносфер может быть настроена в диапазоне 60 нм путем изменения размера частиц от 10 до 100 нм [26]. Это чрезвычайно полезно для оптимизации термических обработок с улучшенными эффектами поверхности, а также для максимизации биочувствительности наноструктур.

Красное смещение пика поверхностного плазмонного резонанса, вызванное увеличением показателя преломления вокруг металлических наноструктур, является основой простейшего приложения обнаружения локализованных поверхностных плазмонов — датчика показателя преломления. Обычно для этой цели используются наночастицы и нанообъекты благородных металлов различной формы, иммобилизованные на гладкой поверхности подложки. Поскольку определение локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) основано на спектральном сдвиге пика, точность, которую можно достичь в отношении изменений показателя преломления, зависит от чувствительности и ширины линии пика.Более крупные наноструктуры, как правило, обладают высокой чувствительностью, но их пики уширены из-за мультиполярных возбуждений и радиационного затухания. Сдвиг LSPR не является строго линейным с показателем преломления; поэтому на практике обычно исследуется узкий спектральный диапазон видимых частот, где можно аппроксимировать линейность сдвига LSPR с показателем преломления. Хотя датчики LSPR могут обнаруживать изменения в объемном показателе преломления, они также способны обнаруживать локализованные до наноразмерных расстояний от наноструктуры, поскольку усиление поля из-за LSPR быстро затухает с расстоянием от поверхности наночастиц из-за сильных эффектов затухания.Это позволяет наблюдать молекулярные взаимодействия в непосредственной близости от поверхности наночастиц [3, 27].

Эволюция характера материала от молекулярных свойств к металлическому поведению была изучена на спектрах поглощения в видимой области спектра кластеров натрия разного размера. Атомно-молекулярные спектры, наблюдаемые для одноатомных и трехатомных кластеров, изменяются для 8-атомного кластера в гладкий спектр с единственной полосой поглощения, которая смещается с дальнейшим увеличением размера кластеров в сторону более длинных волн.Гладкие тонкие пленки натрия демонстрируют монотонный спектр без полос, характерных для искривленных металлических поверхностей [28].

Помимо эффекта размера наночастиц, свойства металлических кластеров также сильно зависят от их формы и структуры. Большой интерес вызвали формы наночастиц с острыми кончиками или остриями, которые были разработаны как снизу вверх, так и сверху вниз. Сюда входят в основном серебряные и золотые нанокубы, золотые нанозвезды, серебряные нанотреугольники, золотые бипирамиды и золотые наноразмеры.Одним из эффектов острых наконечников является красное смещение плазмонного резонанса, увеличивающее чувствительность показателя преломления [29–37].

3. Тонкие пленки и 2D-структуры

Отличным основным примером зависимости оптических свойств тонких металлических пленок от их толщины и структуры является случай нанослоев Au. Au — хороший материал для демонстрации процессов, происходящих во время наноструктурирования, из-за его высокой химической стабильности. Švorčík et al. в [10] использовали различные аналитические методы для определения структуры, толщины, морфологии и других свойств напыленных пленок Au.Отжиг напыленных пленок при температурах до 300 ° C приводит к коалесценции материала и образованию наноостровковой структуры, что можно объяснить снижением температуры плавления золота в виде очень тонкой пленки. Высокая поверхностная энергия между золотом и стеклянной подложкой затем приводит к образованию прерывистой структуры частиц, довольно равномерно распределенных по поверхности подложки, размер которой зависит от толщины нанесенного слоя Au перед процессом отжига.

Цвет непрерывных распыленных тонких пленок Au изменяется от синего до зеленого с увеличением толщины, переходя в желтый цвет основного золота для слоев толщиной более 30 нм. Прерывистые слои золота, полученные в результате отжига после осаждения, меняют цвет на красный в диапазоне от светло-розового для самых тонких слоев до темно-фиолетового при более длительном времени распыления (рис. 4). Этот эффект хорошо описывается сравнением спектров УФ-видимой области и морфологии поверхности образцов.Поскольку отжиг пленки Au приводит к образованию островковой структуры (рис. 6), поверхностные плазмоны в материале становятся локализованными, и возникает полоса ППР. В то время как полоса ППР появляется только при очень коротком времени осаждения для неотожженных образцов, отожженные образцы напыленного золота по-прежнему показывают полосу ППР для слоев с эффективной толщиной около 35 нм. Полоса ППР отожженных образцов затем уменьшается для образцов толщиной более 40 нм, где островки золота становятся слишком большими, чтобы поддерживать локализацию и возбуждение поверхностных плазмонов (рис. 5).Таким образом, с помощью этого простого метода, основанного на контроле толщины пленки Au перед отжигом, получают наноструктурированные материалы с широким спектром различных спектров оптического поглощения в видимой области.


Эллипсометрические измерения распыленных тонких пленок Au в [38] использовались для определения показателя преломления и расчета диэлектрической функции. Реальная часть диэлектрической функции показывает изменение формы, типичной для полупроводников и диэлектриков, на форму, характерную для металлов, с увеличением времени осаждения.Отжиг приводит к появлению этого перехода при гораздо более длительных временах осаждения. Это измерение может вызвать некоторые разногласия по поводу возможности рассчитать оптическую ширину запрещенной зоны по спектру поглощения тонкой пленки Au. Метод Таука для расчета оптической ширины запрещенной зоны использовался для расчета ширины запрещенной зоны в полупроводниковых материалах [39]. Согласно эллипсометрическим измерениям тонкая островковидная пленка Au может обладать полупроводниковыми свойствами. Однако на спектр поглощения этих систем сильно влияет полоса поглощения ППР, что может затруднить применение этого метода расчета ширины запрещенной зоны.

Другой подход к формированию наноструктурированных двумерных ансамблей благородных металлов состоит в связывании предварительно приготовленного коллоидного раствора наночастиц с предварительно обработанной подложкой. Стекло как обычный материал для подложек имеет низкое сродство к благородным металлам. Поэтому необходимо модифицировать его поверхность, чтобы сделать возможным связывание с ней наночастиц. Для этого часто применяют силанизацию стекла различными органическими веществами. В [11] стеклянные пластинки обрабатывали аминопропилтриметоксисиланом, а затем обрабатывали коллоидными растворами Au.УФ-видимые спектры в этом случае показали сильную зависимость поглощения от времени обработки образца в коллоидном растворе (рис. 7). Были получены спектры с отчетливыми полосами поглощения ППР, что свидетельствует об успешном связывании наночастиц. В [40] аналогичный метод был использован для сравнения эффективности модификации поверхности стеклянных подложек аминопропилтриметоксисиланом и меркаптопропилтриметоксисиланом. Также была изучена жизнеспособность наночастиц Au, полученных различными методами (лазерная абляция, восстановление цитратом и борогидридом).Примечательно, что было обнаружено, что аминопропилтриметоксисилан лучше для достижения силанизации стекла, чем меркаптопропилтриметоксисилан, что противоречит общепринятому мнению, что существует очень сильное взаимодействие между благородными металлами и группами –SH. Однако на этот эффект может влиять тип используемой стабилизации наночастиц, поскольку было обнаружено, что наночастицы, полученные с помощью лазерной абляции без каких-либо стабилизирующих агентов, непригодны для рутинной подготовки образцов.Подготовленные таким образом структуры были протестированы на предмет их пригодности в качестве подложки SERS. Другой пример использования подложек из силанизированного стекла можно найти в [12]. Последующая модификация иммобилизованных наночастиц самоорганизующимися монослоями меркаптопропионовой кислоты была использована для связывания биотина, и эта структура была использована в качестве устройства обнаружения для исследования взаимодействий с фибриногеном. После введения фибриногена наблюдалось значительное изменение максимума спектра поглощения (рис. 8).Другой подход к использованию самоорганизующихся монослоев для иммобилизации наночастиц Au был изучен в [41]. Плоская поверхность золотой подложки была модифицирована 1,10-декандитиолом, который сформировал структуры с одной группой SH, связанной с поверхностью, а другой подготовленной для связывания введенной впоследствии наночастицы Au. Наблюдался процесс агрегации, приводящий к структуре множества слоев наночастиц, связанных с модифицированной поверхностью. Полученные структуры были протестированы на ППР-детекцию бычьего сывороточного альбумина.


Примеры возможных применений таких структурированных пленок благородных металлов, как упоминалось ранее, в различных аналитических методах (особенно SERS), но также привлекательный метод прямого обнаружения органических газов был предложен в [42], где зависимость положения и формы полосы ППР от показателя преломления окружающей среды использовалась с использованием полимерного верхнего слоя, способного поглощать пары органических веществ. Сдвиги полосы ППР исследовались также после прямого поглощения органических газов на структурированных поверхностях Au и Ag [43].Другой интересный пример возможного применения тонких пленок Au — это улучшение органических солнечных элементов, где очень важны как оптические, так и электрические свойства материала [44].

4. Наночастицы

Способность прикреплять наночастицы благородных металлов к поверхностям может быть очень полезной, особенно если мы понимаем, что приготовленная островковидная двумерная структура сохраняет свойства исходного раствора наночастиц. Если бы мы могли связывать наночастицы различных форм, размеров, структуры и состава с твердыми поверхностями, не меняя их характера в процессе, мы могли бы извлечь выгоду из преимуществ как конкретных частиц, так и 2D-сборки из благородного металла.В этом обзоре мы упомянем лишь несколько интересных недавних наблюдений, касающихся оптических свойств наночастиц благородных металлов, потому что в последнее время есть исчерпывающие обзоры, посвященные только получению и свойствам наночастиц благородных металлов [26, 45, 46].

Оптические свойства металлических наночастиц сильно зависят от их формы. Многие недавние разработки были сделаны в отношении контроля роста наночастиц. В [47] обсуждаются свойства и возможные применения различных форм (сфер, кубов, стержней и проволок) из Au и Ag.Методы получения и контроля формы наночастиц золота с интересным сравнением зависимости поглощения ППР золотых нанокристаллов от различных растворителей можно найти в [13].

Измерение оптического поглощения коллоидных растворов можно использовать и в обратном смысле — для определения концентрации, размера и распределения наночастиц в коллоидном растворе. Корреляция ширины пика ППР наночастиц Au с их размером и распределением использовалась для определения свойств коллоидных растворов в [48].Обсуждается также интересная зависимость поглощения ППР от температуры измерения. В более позднем исследовании поправка на длину свободного пробега была применена к классической теории Ми для характеристики растворов наночастиц Au размером в диапазоне от 5 до 100 нм. Были поддержаны уравнения, а также таблицы для определения размера и концентрации частиц [49].

Привлекательный метод крупномасштабного приготовления монодисперсных коллоидных растворов очень малых наночастиц Ag обсуждается в [50].При синтезе сверхмалых наночастиц Ag олеиламин использовался как восстановитель и поверхностно-активное вещество, а олеиновая кислота как вспомогательное поверхностно-активное вещество и сорастворитель. Наночастицы Ag размером всего 1,7 нм были синтезированы путем регулирования роста путем изменения скорости нагрева. УФ-видимые спектры были измерены для образцов растворов после различного времени синтеза, чтобы оценить состояние процесса (рис. 9). Измерения показывают интересный прогресс в характере спектров. В течение последних 2 мин времени реакции появляется сильный пик при 430 нм, который быстро растет, что объясняется плазмонным рассеянием наночастиц Ag.Это означает, что зарождение и рост происходили за очень короткий период времени, менее 2 минут при 180 ° C. В контролируемом эксперименте, где олеиновая кислота не добавлялась к реакционной смеси, было обнаружено, что наночастицы образовывались при гораздо более низких температурах, давая только полидисперсные частицы серебра. Похоже, что координация олеиновой кислоты, а не олеиламина, стабилизирует мономеры Ag и делает возможной вспышку зародышеобразования для образования однородных сверхмалых наночастиц.

Другой интересный метод получения наночастиц Ag использует хитозан в качестве восстанавливающего агента в одноэтапном процессе подготовки для достижения более экологически чистой процедуры [51].Наночастицы, полученные аналогичным двухэтапным способом, были изучены на предмет их антибактериальной активности [14]. Спектры экстинкции в УФ-видимом диапазоне в этом случае свидетельствуют об успешном синтезе наночастиц серебра (рис. 10). В спектрах видны четыре характерных пика, соответствующих различным режимам возбуждения плазмонов. Эти полосы соответствуют формированию треугольных нанопластинок Ag.

Наночастицы Au часто используются в приложениях биочувствительности. AuNP используются в качестве носителей для антител или других активных молекул; методы агрегации AuNP основаны на смещении полосы поглощения ППР с образованием кластеров AuNP; наночастицы используются для усиления различных люминесцентных эффектов [52].Недавно сообщалось о специфической способности частиц усиливать электрохемилюминесценцию пероксидисульфата, используемого при конструировании биосенсора [53].

5. Биметаллические частицы и слои

Мы уже обсуждали, как изменяются свойства материалов, когда размер их структурных элементов уменьшается до наноскопических размеров без изменения состава самого материала. На свойства материала желательным образом влияет только изменение основных характеристик конструкции.Этот процесс аналогичен тому, в котором мы создаем смеси различных соединений — изменяя соотношение и распределение используемых материалов, мы можем настроить свойства полученной структуры. Эти две процедуры можно комбинировать, когда мы используем два разных металла для образования наноструктуры или наночастицы (рис. 11).

Биметаллические наночастицы Au / Ag типа ядро-оболочка могут быть получены путем последующего двухэтапного восстановления двух солей металлов в растворе или путем химического осаждения серебра на ядра наночастиц золота.Было обнаружено, что образование биметаллической границы раздела увеличивает чувствительность датчиков LSPR на основе этой структуры [54]. Получение наночастиц ядро-оболочка в порядке, обратном порядку, обратному, чем в предыдущей работе (Ag / Au в данном случае), осуществлялось осаждением Au на предварительно подготовленные ядра Ag. Значительное изменение цвета от желто-янтарного до темно-янтарного, от серого до серо-фиолетового и, наконец, до пурпурного, наблюдалось во время осаждения золота (рис. 12). Большое внимание уделялось смещению положения пика ППР образующихся частиц в зависимости от количества введенного Au [55].Было обнаружено, что спектр поглощения наночастиц сплава, полученных путем лазерного облучения смеси коллоидных растворов наночастиц Ag и Au (предварительно приготовленных путем лазерной абляции в жидкой среде), не является простой комбинацией спектров коллоидных растворов Au и Ag (Рисунок 13). Также наблюдалась зависимость полученных спектров от длины волны лазера, используемого для приготовления легированных наночастиц [56]. Краткое изложение методов и средств получения монодисперсных коллоидных растворов биметаллических наночастиц Au / Ag было недавно опубликовано [57].

Металлы для биомедицинских приложений | IntechOpen

1. Введение

В современной истории металлы использовались в качестве имплантатов более 100 лет назад, когда Лейн впервые представил металлическую пластину для фиксации переломов костей в 1895 году (Lane, 1895). На ранней стадии разработки металлические имплантаты столкнулись с проблемами коррозии и недостаточной прочности (Lambotte, 1909, Sherman, 1912). Вскоре после появления в 1920-х годах нержавеющей стали 18-8, которая имела гораздо более высокую коррозионную стойкость по сравнению с чем-либо еще в то время, она сразу же привлекла интерес клиницистов.После этого металлические имплантаты получили широкое развитие и клиническое применение.

Тип металла, используемого в биомедицине, зависит от конкретного применения имплантата. Нержавеющая сталь типа 316L (316L SS) по-прежнему является наиболее часто используемым сплавом во всех отраслях имплантатов, от сердечно-сосудистой системы до оторинологии. Однако, когда имплантат требует высокой износостойкости, такой как искусственные суставы, лучше подходят сплавы CoCrMo. В таблице 1 приведены типы металлов, которые обычно используются для различных видов имплантатов.

Подразделение Пример имплантатов Тип металла
Сердечно-сосудистая система Стент
Искусственный клапан
316L SS; CoCrMo; Ti
Ti6Al4V
Ортопедия Костная фиксация (пластина, винт, штифт)
Искусственные суставы
Нерж. Сталь 316L; Ti; Ti6Al4V
CoCrMo; Ti6Al4V; Ti6Al7Nb
Стоматология Ортодонтическая проволока
Пломба
Нержавеющая сталь 316L; CoCrMo; TiNi; TiMo
AgSn (Cu) амальгама, Au
Черепно-лицевой Пластина и винт Нерж. Сталь 316L; CoCrMo; Ti; Ti6Al4V
Оторинология Искусственная барабанная перепонка Нержавеющая сталь 316L

Таблица 1.

Разделение имплантатов и тип используемых металлов

Металлические биоматериалы используются из-за их инертности и структурных функций; они не обладают такими биологическими функциями, как совместимость с кровью, проводимость костей и биоактивность. Следовательно, требуются модификации поверхности. Повышение их костной проводимости достигается путем покрытия биоактивной керамикой, такой как гидроксиапатит (Habibovic, 2002), или кровяной совместимости путем покрытия биополимерами (Lahann, 1999). В настоящее время разрабатывается большое количество металлических биоматериалов, состоящих из нетоксичных и не вызывающих аллергии элементов.Более того, новый тип биоразлагаемых металлов был предложен в качестве временных имплантатов (Hermawan, 2009).

Как правило, все металлические имплантаты немагнитны и имеют высокую плотность. Это важно для имплантатов, чтобы они были совместимы с методами магнитно-резонансной томографии (МРТ) и были видны при рентгеновской визуализации. Большинство искусственных имплантатов подвергаются статическим или повторяющимся нагрузкам, и это состояние требует отличного сочетания прочности и пластичности. Это превосходная характеристика металлов по сравнению с полимерами и керамикой.Конкретные требования к металлам зависят от конкретных применений имплантата. Стенты и стент-графты имплантируются для открытия стенозированных кровеносных сосудов; следовательно, он требует пластичности для расширения и жесткости для поддержания расширения. Для ортопедических имплантатов металлы должны обладать превосходной прочностью, эластичностью, жесткостью, прочностью и устойчивостью к разрушению. Для полной замены соединения металлы должны обладать износостойкостью; следовательно, можно избежать образования мусора от трения. Для восстановления зубов требуются прочные и жесткие металлы и даже эффект памяти формы.

В целом использование биоматериалов в клинической практике должно быть одобрено авторитетным органом, таким как FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США). Предлагаемый биоматериал получит либо предпродажное одобрение (PMA), если он будет по существу эквивалентен тому, который использовался до принятия закона FDA 1976 года, либо должен пройти серию управляемой оценки биосовместимости.

2. Обычные металлы, используемые для биомедицинских устройств

На сегодняшний день тремя наиболее часто используемыми металлами для имплантатов являются нержавеющая сталь, сплавы CoCr и сплавы Ti.Первая нержавеющая сталь, используемая для имплантатов, содержит ~ 18 мас.% Cr и ~ 8 мас.% Ni, что делает ее более прочной, чем сталь, и более устойчивой к коррозии. Дальнейшее добавление молибдена (Mo) улучшило его коррозионную стойкость, известную как нержавеющая сталь типа 316. Впоследствии содержание углерода (C) было снижено с 0,08 до 0,03 мас.%, Что улучшило его коррозионную стойкость к раствору хлорида, и названо 316L.

Титан отличается малым весом. Его плотность составляет всего 4,5 г / см 3 по сравнению с 7.9 г / см 3 для нержавеющей стали 316 и 8,3 г / см 3 для литых сплавов CoCrMo (Брандес и Брук, 1992). Ti и его сплавы, то есть Ti6Al4V, известны своей превосходной прочностью на разрыв и стойкостью к точечной коррозии. Титан, легированный никелем, то есть нитинолом, образует сплавы с эффектом памяти формы, что делает их пригодными для различных применений, таких как проводка для стоматологической реставрации.

В стоматологии в качестве драгоценных металлов и сплавов часто используются Au, Ag, Pt и их сплавы. Они обладают хорошей литейной способностью, пластичностью и устойчивостью к коррозии.В стоматологические сплавы входят система AuAgCu, AuAgCu с добавлением Zn и Sn, известная как стоматологический припой, и система AuPtPd, используемая для сплава фарфора с металлом для ремонта зубов.

Сплавы

CoCr уже много десятилетий используются для изготовления искусственных суставов. Они широко известны своей превосходной износостойкостью. В частности, деформируемый сплав CoNiCrMo использовался для изготовления сильно нагруженных суставов, таких как имплантаты голеностопного сустава (рис. 1).

Другие металлы, используемые для имплантатов, включают тантал (Ta), аморфные сплавы и биоразлагаемые металлы.Тантал, который имеет отличную видимость в рентгеновских лучах и низкую магнитную восприимчивость, часто используется в качестве рентгеновских маркеров для стентов. Аморфные сплавы обладают интересными свойствами по сравнению с их кристаллическими аналогами, в то время как они демонстрируют более высокую коррозионную стойкость, износостойкость, прочность на разрыв и усталостную прочность. При низком модуле Юнга аморфные сплавы, такие как сплав на основе Zr (Wang, 2011), могут уменьшать размеры металлических имплантатов. До сих пор металлы, предлагаемые для биоразлагаемых имплантатов, называемые биоразлагаемыми металлами, представляют собой сплавы на основе железа или магния.Сплавы на основе Mg включают сплавы на основе MgAl-, MgRE (редкоземельные элементы) (Witte, 2005) и MgCa- (Li, 2008). Между тем, сплавы на основе Fe включают чистое железо (Peuster, 2001) и сплавы Fe-Mn (Hermawan, 2008).

Рис. 1.

Набор имплантатов голеностопного сустава (любезно предоставлено MediTeg, UTM).

3. Состав и свойства металлов

3.1. Микроструктура металла и его сплавов

При охлаждении расплавленных металлов до твердого состояния атомы перестраиваются в кристаллическую структуру.Для большинства металлов существует три основных кристаллических структуры: (1) объемно-центрированная кубическая, (2) гранецентрированная кубическая и (3) гексагональная плотноупакованная. Каждая структура имеет разные свойства и показывает отличное поведение под нагрузкой в ​​приложении. Под действием внешней силы кристалл подвергается упругой деформации. Когда сила снимается, он возвращается к своей первоначальной форме. Однако, если сила увеличивается за пределы своего предела упругости, кристалл подвергается пластической или остаточной деформации и не возвращается к своей исходной форме даже после снятия приложенной силы.

В металлах обычно присутствуют дефекты, в том числе межузельный атом, примесь, дислокации, границы зерен и поры. Дислокация — это дефект, который может объяснить несоответствие между реальной прочностью металлов и теоретическими расчетами, основанными на молекулярной динамике. После изобретения электронного микроскопа многие ученые непосредственно наблюдали наличие дислокации. С тех пор теория дислокаций развивалась и объясняла многие физические и механические явления в металлах.Другой важный тип дефекта — это граница зерен. На механические свойства металлов значительное влияние оказывает размер их зерна. При температуре окружающей среды металлы с большим размером зерна обычно имеют низкую прочность и твердость, а также низкую пластичность. Поскольку границы зерен препятствуют движению дислокаций, они также влияют на процесс деформационного упрочнения, увеличивая прочность и пластичность металлов.

Чистые металлы обладают относительно ограниченными свойствами; однако эти свойства могут быть улучшены путем легирования металлов.Большинство металлов, используемых в машиностроении, находятся в форме их сплавов. Большинство сплавов состоит из двух или более твердых фаз в виде твердых растворов или интерметаллических соединений, которые зависят от легирующего состава и температуры. Фаза определяется как однородная часть в материале, которая имеет свои собственные физические и химические характеристики и свойства. Каждый чистый металл считается фазой, также как и любой твердый раствор и интерметаллическое соединение. Легирование металла мелкодисперсными частицами в качестве второй фазы — один из важных методов упрочнения сплавов и улучшения их свойств.Частицы второй фазы, препятствующие движению дислокаций, увеличивают общую прочность и твердость сплавов.

3.2. Физико-механические свойства металлов

Одним из важных критериев при выборе металлов является учет их физических свойств, таких как плотность, температура плавления, удельная теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение и коррозия. Плотность металла играет важную роль в удельной прочности и удельной жесткости, которые представляют собой отношение прочности к весу и жесткости к весу соответственно.

Для многих применений одним из наиболее важных факторов является их износ из-за коррозии. Коррозия металла зависит от состава металла и агрессивных сред в окружающей среде. Наиболее распространенный и простой способ предотвращения коррозии — это тщательный выбор металлов после определения характеристик коррозионной среды. Цветные металлы, нержавеющая сталь и неметаллические материалы обычно имеют высокую коррозионную стойкость из-за наличия защитного пассивного слоя.Титан образует пленку оксида титана TiO 2 . Подобное явление также происходит в нержавеющих сталях из-за присутствия хрома в сплаве, который образует слой оксида хрома на поверхностях. Если защитная пленка сломана и обнажает металл под ней, начинает формироваться новая оксидная пленка для дополнительной защиты.

В отличие от физических свойств, механические свойства металла — это поведение металлов, которое измеряется под действием внешних сил. Испытание на растяжение — наиболее распространенный метод определения механических свойств материалов, таких как прочность, пластичность, вязкость, модуль упругости и способность к деформационному упрочнению.Образец, используемый в этом испытании, обычно готовится в соответствии со спецификациями ASTM. Другим важным механическим свойством металла является твердость, которая дает общее представление о его сопротивлении локализации пластической деформации. Для измерения твердости металлов было разработано несколько методов испытаний, в которых используются различные материалы и формы индентора.

В таблице 2 показаны механические свойства некоторых сплавов, используемых для имплантата. Он также показывает химический состав сплава, который является определяющим фактором для образования микроструктуры и фаз, следовательно, их свойства, т.е.е. механические свойства. Например, добавление Al и V к чистому Ti значительно увеличивает его предел прочности. Помимо состава, металлургическое состояние и процесс синтеза металлов изменяют свои механические свойства, то есть в отожженном состоянии они имеют лучшую пластичность, чем у холоднодеформированных, а литые металлические имплантаты обычно обладают меньшей прочностью, чем имплантаты, изготовленные ковкой.

В отличие от разрушения при испытании на растяжение, когда образец подвергается постепенному увеличению нагрузки до разрушения, разрушение компонента практически происходит после длительного периода повторяющихся циклических нагрузок или деформаций.Это явление называется усталостным отказом и является причиной большинства отказов многих механических компонентов. Чтобы избежать такого рода разрушения, уровень напряжения следует снизить до уровня, при котором материал может быть подвергнут усталостному разрушению, независимо от количества циклов. Максимальный уровень напряжения нагрузки известен как предел выносливости или предел усталости.

4456 ГПа

Металлы Основной легирующий состав
(мас.%)
Механические свойства *
YS
(МПа)
UTS
(МПа)

0

(МПа) Макс. Удлинение
(%)
Нержавеющая сталь:
Тип 316L (ASTM, 2003)
Fe; 16-18.5Cr; 10-14Ni; 2-3Mo; <2Mn; <1Si; <0,003C 190 490 193 40
CoCr сплавы:
CoCrWNi (F90) (ASTM, 2007a)
CoNiCrMo (F562) (ASTM, 2007b)
Co; 19-21Cr; 14-16Вт; 9-11Ni
Co; 33-37Ni; 19-21Cr; 9-10,5Mo
310

241

860

793

210

232

20

50

Ti и его сплавы: (
Чистый сплав Ti 4) ASTM, 2006)
Ti6Al4V (F136) (ASTM, 2008)
Ti; 0.05N; 0,1С; 0,5 Fe; 0,015H; 0,4O
Ti; 5.5-6.75Al; 3,5-4,5 В; 0,08 ° C; 0,2O
485

795

550

860

110

116

15

10

Металлы, разлагаемые:
Чистое железо (
, 200743) Чистое железо (
, 200743) ASTM, 2001)
99,8Fe

Mg; 3,7–4,3Y; 2,4-4,4Nd; 0,4-1Zr

150

150

210

250

200

44

40

4

Таблица 2.

Пример металлов, используемых для имплантатов, и их механических свойств. * в отожженном состоянии, за исключением WE43, который был подвергнут термообработке на твердый раствор и искусственно состарен (T6). YS = предел текучести, UTS = предел прочности при растяжении, YM = модуль Юнга.

3.3. Биосовместимость металлов

Понимание биосовместимости было сосредоточено на долговременных имплантируемых устройствах, которые биологически неактивны и химически инертны, так что они не оказывают вредного воздействия на ткани человека.Однако с недавними разработками в области биотехнологии необходим определенный уровень биологической активности в определенных областях исследований, таких как тканевая инженерия, системы доставки лекарств и генов, где прямое взаимодействие между биоматериалами и компонентами ткани очень важно.

Одно из недавних определений биосовместимости — это «способность биоматериала выполнять свою желаемую функцию в отношении медицинской терапии, не вызывая каких-либо нежелательных местных или системных эффектов у реципиента или получателя этой терапии, но генерируя наиболее подходящие благоприятный клеточный или тканевый ответ в этой конкретной ситуации и оптимизация клинически значимых характеристик этой терапии »(Williams, 2008).В случае металлов биосовместимость подразумевает принятие искусственного имплантата окружающими тканями и организмом в целом. Металлические имплантаты не раздражают окружающие структуры, не вызывают чрезмерной воспалительной реакции, не вызывают аллергических и иммунологических реакций и не вызывают рак. Другие функциональные характеристики, которые важны для металлического устройства, включают соответствующие механические свойства, такие как прочность, жесткость и усталостные свойства; а также подходящей плотности.

Поскольку многие применения металлических устройств предназначены для структурных имплантатов, биосовместимость металлов вызывает серьезную озабоченность, поскольку металлы могут корродировать в среде in vivo . Коррозия металлического имплантата оказывает неблагоприятное воздействие на окружающие ткани и сам имплант. Он производит химические вещества, вредные для органов человека, и ухудшает механические свойства имплантата. Следовательно, коррозионная стойкость металлического имплантата является важным аспектом его биосовместимости.Хотя в особых случаях для временных имплантатов предлагаются металлы, которые могут разлагаться, но, безусловно, без игнорирования требований биосовместимости (Hermawan, 2010, Witte, 2009).

4. Обработка металлов

4.1. Первичные процессы

В общем, первичный процесс обработки металлов включает переработку слитка в прокатные изделия в случае деформируемых сплавов и процесс литья в случае литого сплава. Кроме того, первичные изделия из металлов также можно производить методом порошковой металлургии.Считается, что обработка сплавов для имплантатов является очень дорогим процессом, который включает сложный производственный процесс, особенно в случае сплава Ti. Основная причина этого состояния связана с высокой реакционной способностью сплавов, поэтому для выполнения процесса их производства требуется особый уход. Эти условия также вызывают необходимость разработки нового материала, который легче обрабатывать (Zhuka, 2007).

Термомеханический процесс (TMP) — это наиболее часто применяемый процесс первичного производства для преобразования слитков в прокатные изделия.Он выполняет две функции; для производства изделий определенной формы, таких как сляб, блюм и заготовка, и для улучшения механических свойств исходных материалов слитков за счет измельчения зерен и получения более однородной микроструктуры (Weiss, 1999). ТМП сплавов Ti, как и других сплавов, включает несколько стадий процессов. Ковка обычно становится первым процессом, предшествующим другим TMP. Выбор типа ТММ после ковки зависит от продукта прокатного стана, который будет производиться, будь то заготовка, пруток, плита или лист (Campbel, 2006).

Определение температуры является важным этапом для TMP (Liu, 1995, Germain, 2008, Ming-Wei, 2007), которые определяют свойства сплавов, и поэтому разные сплавы будут обрабатываться при разной температуре. Например, во время ТМР 304 нержавеющих сталей полосы нестабильности были обнаружены при температуре процесса ниже 1100 ° C, 1000 ° C, 800 ° C после ковки с молотком, прокатки и штамповки, соответственно. Было высказано предположение, что идеальный процесс может выполняться при 1200 ° C для получения бездефектной микроструктуры (Venugopal, 1995).Другими важными параметрами являются степень деформации и фазовый состав. Сообщалось, что увеличение степени пластической деформации во время ковки двухфазных Ti-сплавов приводит к снижению усталостной прочности (Кубяк, 1998). Однако уменьшение усталостной прочности меньше в случае процесса ковки в диапазоне бета по сравнению с диапазоном (α + β). Что касается фазового состава, давно признано, что разные фазы обладают разной способностью деформироваться, поэтому разные фазовые составы будут иметь разные характеристики во время и после ТМР.В качестве примера сообщалось, что текучесть двухфазных сплавов Ti зависит от размера зерен бета-фазы и объемной доли (Hu, 1999).

Как упоминалось ранее, процесс литья имплантируемого сплава относительно сложнее, чем ТМП деформируемых сплавов. Причина заключается в высокой реакционной способности сплавов, особенно в случае сплавов Ti, которые легко вступают в реакцию как с атмосферой, так и с литейной формой (Campbel, 2006). Однако недавний прогресс показывает, что увеличилось использование литья по выплавляемым моделям, за которым следует процесс горячего изостатического прессования (HIP) в качестве основного процесса производства сплавов для имплантатов.Кроме того, в отличие от других сплавов, литые изделия из Ti-сплавов в целом сопоставимы с деформируемыми изделиями и в некоторых случаях могут быть лучше (ASM, 1998a). С другой стороны, считается, что сплавы на основе Co имеют лучшую литейную способность, чем сплавы Ti и нержавеющей стали. Эти сплавы обладают несколькими важными характеристиками для процесса литья, такими как хорошая текучесть, низкие температуры плавления, отсутствие дефектов растворенного газа и низкие потери сплава из-за окисления (ASM, 1998c). Улучшение литейных качеств и отливки изделия из этого сплава может быть достигнуто за счет дополнительного легирующего элемента, такого как углерод, и процесса вакуумной плавки.Сообщалось, что дополнительное содержание углерода до 0,5 мас.% Снижает температуру плавления (увеличивает литейную способность) и, в свою очередь, приводит к более мелкому размеру зерна по сравнению с бинарными сплавами CoCr (Black, 1998).

Другой основной процесс изготовления металлических имплантатов — порошковая металлургия. Процесс включает в себя смешивание и смешивание ингредиентов, уплотнение, спекание и, в большинстве случаев, сопровождается процессом HIP. Этот процесс относительно дорог; поэтому он подходит для изготовления высоконагруженных имплантатов, таких как бедренные ножки полных протезов бедра (Black, 1998).Одним из важных требований к материалам имплантатов является пористость, которая ожидается в диапазоне от 20 до 50% по объему (Dewidar, 2007). Этого состояния можно достичь, контролируя параметры процесса спекания. Кроме того, улучшение механических свойств имплантата с помощью этого метода может быть достигнуто путем проведения процесса HIP после спекания за счет уменьшения таких дефектов, как газ или усадочные поры.

4.2. Усовершенствованные процессы

Существует несколько процессов, которые можно рассматривать как передовые процессы в производстве материалов для имплантатов, такие как сверхпластическая деформация, изотермическая ковка и направленное осаждение металла.Они предлагают улучшение производственного процесса, а также повышение качества продукции. Сверхпластическая деформация (SPD) — это продвинутый процесс формования, при котором более высокая степень деформации применяется для формирования продукта сложной формы, тогда как требуется процесс формования с низкой скоростью (Krishna, 1997). Двухфазные материалы могут быть обработаны методом SPD с дополнительным требованием, чтобы материалы имели ультрамелкую структуру. Эта сверхпластичность, то есть в дуплексной нержавеющей стали, возникает из-за динамического проскальзывания границ зерен при помощи рекристаллизации (Han, 1999), когда для достижения оптимальной сверхпластичности требуется разная скорость скольжения для разных типов границ зерен (Miyamoto, 2001).Ультрамелкозернистая структура может быть получена несколькими методами процессов интенсивной пластической деформации, такими как равноканальное угловое прессование (РКУП), накопительное валковое соединение (ARB), кручение под высоким давлением (HPT) и другие подобные процессы (Azushima, 2008) . В настоящее время сверхпластичность используется для процессов сверхпластической деформации и диффузионного связывания (Huang, 1999).

Еще одним передовым процессом является изотермическая ковка, при которой штампы выдерживают при более высокой температуре, что снижает остывание штампа и увеличивает текучесть металла (Campbel, 2006).Условие относительно низкой скорости деформации является предпочтительным для обеспечения состояния сверхпластичности, и поэтому после процесса может быть достигнута равномерная деформация высокой степени. Этот процесс обеспечивает более однородную микроструктуру, более длительный срок службы штампов и сокращает этапы процесса для получения продукта почти чистой формы. Однако начальная стоимость процесса высока из-за использования высокотемпературных материалов для штампов, которые дороже, чем штампы для обычного процесса ковки.

Другой процесс, близкий к конечной, — это направленное осаждение металла, в котором используется фокусирующий лазерный луч, плавящий металлический порошок на металлической подложке.Этот процесс снижает стоимость производства деталей из титана, особенно за счет экономии материала, используемого в процессе. Экономия материала выше при производстве изделий сложной формы.

4.3. Обработка поверхности

Обработка поверхности или модификация поверхности рассматриваются как одна из основных проблем недавних разработок в области металлических биоматериалов (Kohn, 1998). Обработка включает морфологическую модификацию поверхности и химическую модификацию. Морфология поверхности, такая как шероховатость, текстура и пористость, являются важными характеристиками имплантата, поскольку она влияет на способность клеток прилипать к твердой подложке (Peckner, 1977).В случае химической модификации цель модификации состоит в том, чтобы обеспечить специфический биологический ответ на металлической поверхности и повысить стабильность биомолекул.

Соответствующая шероховатость поверхности может быть достигнута путем электрополировки, при которой может быть достигнуто улучшение коррозионной стойкости нержавеющих сталей. Уменьшение зерна поверхности с помощью процесса, аналогичного SPD, но применяемого только на поверхности, увеличивает усталостную долговечность сплавов нержавеющей стали, поскольку сверхмелкие границы зерен поверхности могут препятствовать перемещению дислокаций, тогда как сжимающее остаточное напряжение на поверхности может задерживать зарождение трещин. (Роланд, 2006).Кроме того, наблюдается улучшение коррозионной стойкости, поскольку большее количество границ зерен приводит к более активному центру диффузии хрома (Мордюк, 2007). Поверхность материала также можно модифицировать с помощью лазера, где сообщалось об улучшении коррозионной стойкости нержавеющей стали (Kwok, 2003). Считается, что это улучшение связано с растворением или измельчением карбидных частиц и наличием остаточного аустенита после процесса.

Сообщалось о химической модификации сплавов нержавеющей стали с помощью процесса гибридного плазменного поверхностного легирования с использованием газовых смесей азота и метана при температуре ниже 450 ° C (Sun, 2008).Образованный двойной слой жесткого, обогащенного азотом, на обогащенном твердым углеродом слое улучшает коррозионную стойкость сплава. О другой химической модификации также сообщалось при обработке ионным пучком азота сплава нержавеющей стали (Williamson, 1998). Использовался пучок ионов азота с относительно низкой энергией, при этом температура подложки поддерживалась на уровне 400 ° C в течение 15-минутной обработки для введения азота на поверхность сплава и образования богатого азотом слоя, который улучшает поверхностную твердость сплава.

Применяя циклическую потенциодинамическую поляризацию к нержавеющей стали 316LVM между потенциалом выделения водорода и кислорода, было обнаружено, что образующаяся пассивная поверхностная пленка будет обладать очень хорошей стойкостью к общей коррозии и точечной коррозии (Bou-Saleh, 2007). Циклическая потенциодинамическая поляризация в нитрате или фосфате натрия также значительно увеличивает стойкость к питтинговой коррозии той же стали, поскольку плотность кислородных вакансий, которые могут действовать как центры зарождения ямок, в пассивной пленке, образованной таким образом, снижается (Шахряри, 2008 г.).

4.4. Покрытие

Ti6Al4V обеспечивает превосходную коррозионную стойкость и способность к сверхпластической деформации, что делает его предпочтительным для замены твердых тканей сложной формы. Однако сам по себе Ti6Al4V не полностью удовлетворяет требованиям биосовместимости в качестве имплантата. Поэтому керамический биоапатит, такой как гидроксиапатит (HAP) или карбонизированный апатит (CAP), обычно наносится на этот сплав. Биоапатит, нанесенный на имплантаты из титана, демонстрирует хорошую фиксацию к кости-хозяину и увеличивает врастание кости в имплантат (Adell, 1981).Эта улучшенная биосовместимость обусловлена ​​химическим и биологическим сходством биоапатита с твердыми тканями (Ratner, 1993). Помимо биосовместимости, имплантат с покрытием также демонстрирует улучшение механических свойств за счет комбинации твердой поверхности и пластичной основы.

Для улучшения биосовместимости металлических имплантатов использовались многочисленные методы нанесения покрытий, включая плазменный спрей (Schrooten, 2000) и золь-гель (Nguyen, 2004). Среди процессов плазменное напыление было самым популярным методом нанесения покрытия из биоапатита на титановую подложку.Параметры процесса, такие как температура и давление, играют важную роль в прочности сцепления покрытия. Сообщалось также, что состав сплава играет важную роль в прочности сцепления керамических дентальных материалов со сплавами CoCr (Chan, 2010). Предварительная обработка, такая как пескоструйная обработка подложки из сплава, также требуется для повышения прочности соединения (Kern, 1993).

Комбинация деформации в сверхпластическом состоянии и процесса нанесения покрытия описана в (Ramdan, 2008). Здесь карбонизированный апатит наносился методом непрерывного прессования при повышенной температуре, что можно рассматривать как метод, подобный сверхпластической деформации.Ожидается, что помимо процесса диффузии за счет тепловой энергии при повышенной температуре, непрерывное прессование даст дополнительную энергию, которая заставляет биоапатит перемещаться внутри подложки и, в свою очередь, улучшает хорошие связывающие свойства биоапатита на подложке.

4.5. Стерилизация и очистка

Чтобы избежать заражения бактериями, которые могут передаваться пациентам, стерилизация и очистка являются важными требованиями к металлическому имплантату. Удаление накипи — это метод очистки поверхности металлического имплантата, который может выполняться механическим, химическим путем или сочетанием обоих методов.Механически это можно сделать с помощью пескоструйной обработки, а химическую очистку можно выполнить травлением с использованием сильной кислоты, такой как NaOH и H 2 SO 4 .

С другой стороны, стерилизация может выполняться с помощью нескольких процессов, таких как автоклавирование, обработка плазмой Ar в тлеющем разряде и -облучение (Serro, 2003). Помимо использования в качестве метода очистки поверхности от любых загрязнений, методы стерилизации также считаются играющими важную роль в биоминерализации сплавов титана.

5. Отказ металлов для биомедицинских устройств

5.1. Коррозия

Металлический имплантат в процессе эксплуатации подвержен коррозии из-за агрессивной среды места имплантации и в большинстве случаев подвергается циклической нагрузке. Типы коррозии, которые часто встречаются при имплантации, — это фреттинг, точечная коррозия и усталость. Фреттинг-коррозия чаще всего возникает в протезах тазобедренного сустава из-за небольшого движения в агрессивной водной среде (Geringera, 2005).

Фреттинг-коррозия — это коррозионное повреждение небольшой площади контактной поверхности из-за повторяющейся нагрузки, механизм которой часто относится к коррозии, вызываемой трением (Tritschler, 1999).Коррозионная среда, химический состав сплава и уровень напряжений на контактных поверхностях являются одними из важных параметров, определяющих фреттинг-коррозионные свойства металлического имплантата (Aparicioa, 2003). Сообщалось, что присутствие хлоридов влияет на ускорение разложения поверхности нержавеющей стали (Tritschler, 1999). С другой стороны, было замечено, что коррозионная стойкость сплава Ti15Mo сильно зависит от концентрации фторид-ионов для стоматологического применения (Kumar, 2008).

Предотвращению коррозии в значительной степени будет способствовать оценка коррозионного поведения с использованием методов, которые напоминают рабочее состояние металлических имплантатов. Поскольку напряжение и коррозионная среда играют важную роль, следует разработать специальные устройства, сочетающие эти два фактора. Ультразвуковая частота использовалась в агрессивной среде для оценки усталостной коррозии металлического имплантата, что позволяет применять цикл очень высоких напряжений в течение разумного периода испытаний (Papakyriacou, 2000).С другой стороны, фреттинг-коррозионные свойства металлического имплантата можно оценить с помощью типичного метода прикрепления диска в искусственной физиологической среде (Tritschler, 1999, Kumar, 2010). Параметры, которые необходимо установить, включают концентрацию агрессивной среды, нагрузки или силы трения, частоту и количество циклов фреттинга. В случае точечной коррозии ее можно оценить по отсутствию приложенных сил. Сообщалось, что хороший пример оценки точечной коррозии был получен в забуференном физиологическом растворе с использованием измерений анодной поляризации и электрохимического импеданса (Aziz-Kerrzo, 2001).

Нанесение покрытия нитридом титана на металлический имплантат является популярным методом повышения коррозионной стойкости металлических имплантатов, таких как сплав Ti и сплав на основе Co, путем физического осаждения из паровой фазы, процесса плазменного напыления и т. Д. Модификация металлической поверхности имплантата с помощью электрополировки, пескоструйной обработки или дробеструйное упрочнение также сообщалось для улучшения коррозионной стойкости имплантата (Aparicioa, 2003). Известно, что значительное улучшение коррозионной стойкости может быть достигнуто для электрополированных поверхностей и поверхностей, подвергнутых пескоструйной обработке, где первые поверхности корродируют наиболее медленно.Модификация свойств коррозионной стойкости двумя способами рассматривается из-за увеличения площади поверхности и введения сжимающего напряжения на поверхность. Кроме того, возможно изменение химического состава с помощью пескоструйной обработки с введением частиц песка, которые образуют определенный слой на обрабатываемой поверхности.

5.2. Усталость и перелом

В процессе эксплуатации большинство металлических имплантатов подвергаются циклическим нагрузкам внутри человеческого тела, что приводит к усталостным переломам.Факторы, определяющие усталостное поведение материалов имплантата, включают микроструктуру материалов имплантата. Сообщалось, что Ti6Al4V с равноосной структурой имеет лучшие характеристики усталостной прочности, чем удлиненная структура (Akahori, 1998). Другим важным параметром является частота циклического нагружения или частота циклических нагрузок (Karla, 2009, Lee, 2009), тогда как для образца, подвергнутого циклической нагрузке с частотой 2 Гц, было обнаружено другое поведение при усталости, чем 38 Гц.

Дизайн имплантатов также играет важную роль в характеристиках усталостного разрушения.Сообщалось, что усталостное разрушение бедренного винта началось возле шпоночной канавки, и было предложено усовершенствовать конструкцию путем удлинения цилиндра вокруг стягивающего винта (Amis, 1987). Кроме того, помимо типа жидкой среды имплантата, наличие других веществ, таких как белок, также, как сообщается, оказывает значительное влияние на поверхностную реакцию и сопротивление усталости титанового имплантата (Fleck, 2010).

Поскольку усталостное разрушение обычно сопровождается процессом коррозии, в дополнение к циклической нагрузке необходимо вводить коррозионную среду для оценки усталостных свойств материалов имплантата.Один из методов проведения теста на усталость имплантата был описан (Leinenbach, 2004), который использовал вращательное изгибание в физиологической среде. Этот метод дает надежное обнаружение начального роста трещины при усталостном разрушении. В большинстве случаев на усталостное разрушение указывает появление следов берега и усталостных полос на разрушенных поверхностях, наблюдаемых с помощью сканирующего электронного микроскопа (Triantafylldis, 2007). В зависимости от коэффициента концентрации напряжений, в некоторых случаях, например, в отливке из сплавов CoCrMo, разрушение наблюдалось локально на фасетных трещинах (111) (Zhuang, 1988).

Подобно коррозионному разрушению, различные методы модификации поверхности оказывают положительное влияние на повышение сопротивления усталости материалов имплантата. Эти модификации поверхности включают дробеструйную очистку и дробеструйную обработку (Papakyriacou, 2000), которые, как было замечено, хорошо работают в любой среде или окружающей среде. Помимо улучшения сопротивления усталости, этот метод также улучшил остеоинтеграцию материалов имплантата.

5.3. Износ

Наряду с процессом коррозии износ относится к деградации поверхности, которая ограничивает использование металлических имплантатов, таких как сплав Ti (Dearnley, 2004).Удаление плотной оксидной пленки, которая естественным образом образовалась на поверхности этого металлического имплантата, в свою очередь, вызвало процесс износа (Komotori, 2007). Фактически, основной фактор, вызывающий преждевременный выход из строя протезов бедра, связан с процессом износа, в котором взаимодействуют несколько переменных и, таким образом, повышается итоговая скорость износа (Buford, 2004).

Распространенным методом измерения износа металлических имплантатов является метод «штифт на диске», который позволяет смазывать искусственной жидкостью человеческого тела. Есть несколько переменных, которые определяют эффективность испытания на износ, такие как контактные напряжения, смазочные материалы и зазор, твердость и шероховатость поверхности, тип шарнирного соединения из-за движения, количество циклов, окисление материалов и поверхностное истирание (Buford, 2004).Объем удаленного материала был измерен, чтобы охарактеризовать скорость износа как функцию контактных нагрузок и состояния поверхностного напряжения (Mitchell, 2007). Сообщается, что для инициирования износа поверхности CoCr требуется критический уровень контактных напряжений, и увеличение этого значения параметра приведет к увеличению скорости износа. С другой стороны, образование толстого оксидного слоя на сплаве Ti после термообработки в течение 36 часов при 625 ° C значительно снижает коррозию и износ сплава Ti из-за значительного увеличения твердости свыше 1000 HV (Dearnley, 2004).

Поскольку износ — это тип отказа из-за контакта с поверхностью, модификация поверхности является подходящим методом повышения износостойкости. Сообщалось об улучшении износостойкости сплава Ti за счет покрытия нитридом титана на имплантате бедра (Harman, 1997). Другой способ избежать поломки из-за катастрофического износа — это правильный выбор материала. Что касается суставных материалов при замене коленного сустава, сообщалось, что замена материала имплантата с СВМПЭ (сверхвысокомолекулярный полиэтилен) на сплавы имплантата из CoCrMo значительно снижает процесс образования отложений (Harman, 1997).Сообщалось также о подобном состоянии, что артропротезы металл по металлу демонстрируют лучшие характеристики износостойкости, чем металл по UHMPWE (Spriano, 2005).

5.4. Выделение ионов металлов

Известно, что высокопрочные сплавы обладают хорошей механической прочностью, но имеют относительно плохие свойства коррозионной стойкости. В большинстве ситуаций хуже всего, если выброс ионов металлов следует за процессом коррозии, которая может быть токсичным загрязнителем внутри человеческого тела. Например, высвобождение ионов ванадия на сплавах Ti, которому предшествует процесс коррозии (Morais, 2007, Ferrari, 1993).Аналогичное условие было обнаружено на сплавах CoCrMo, которые используются в качестве материалов для ортопедических имплантатов, поскольку эти сплавы выделяют ионы Co, Cr, Mo в ткани хозяина (Öztürk, 2006). Есть несколько факторов, которые играют важную роль в высвобождении ионов металлов. Во-первых, наличие пассивных оксидных пленок, где после их разрушения будет легче происходить высвобождение ионов металлов (Hanawa, 2004). Во-вторых, фактор pH, при котором на высвобождение ионов как в нержавеющей стали, так и в Co влияет pH жидкости организма в большей степени, чем в нержавеющей стали (Okazaki, 2008).Аналогичная ситуация была описана в (Brune, 1986), что сплавы на основе Co показывают меньше ионов, выделяемых во время испытаний с использованием натуральной и синтетической слюны для стоматологических сплавов.

Чтобы уменьшить высвобождение ионов металла из металлического имплантата, нанесение покрытия является подходящим методом для уменьшения этого процесса. Имплантация ионов азота в сплавы CoCrMo позволяет модифицировать приповерхностную область этого сплава, образуя защитный слой на поверхности (Öztürk, 2006). Было обнаружено, что слой нитрида титана обладает превосходной биосовместимостью, а образование твердого нитридного слоя показало более низкое высвобождение ионов на металлическом имплантате (Ferrari, 1993).Поэтому покрытие из нитрида титана было нанесено на сплав Ti и сплав на основе Co (Ferrari, 1993). Также сообщалось, что покрытие из гидроксиапатита снижает высвобождение ионов металлов (Browne, 2000). С другой стороны, о значительном улучшении также сообщалось о нанесении покрытия Ti на сплав на основе Co с использованием метода плазменного напыления (Reclarua, 2005). Здесь следует отметить один момент: морфология и шероховатость поверхности слоя покрытия также определяют коррозионную стойкость и, в свою очередь, характер высвобождения ионов металла.Поэтому для получения оптимальных результатов требуется надлежащий процесс нанесения покрытия, а также подготовка основания.

6. Последние разработки металлов для биомедицинских устройств

Наряду с достижениями в биомедицинских технологиях и тканевой инженерии желательно, чтобы биоматериалы демонстрировали низкий модуль упругости, эффект памяти формы или сверхэластичность, износостойкость, сверхпластичность и обрабатываемость. Кроме того, они необходимы для устранения всех возможных токсических эффектов выщелачивания, износа и коррозии.Одна из проблем — отказ от использования Ni при изготовлении металлических сплавов. Этот спрос приводит к разработке нового поколения металлических биоматериалов и их новой обработке

6.1. Новое поколение металлических биоматериалов

Нержавеющая сталь для металлических имплантатов была усовершенствована и не содержит никеля. Замена Ni другими легирующими элементами при сохранении стабильности аустенитной фазы, коррозионной стойкости, магнетизма и обрабатываемости привела к использованию азота для создания систем FeCrN, FeCrMoN и FeCrMnMoN.Достигнутая высокая прочность открывает возможность для уменьшения размеров имплантата там, где ограниченное анатомическое пространство часто является проблемой, например, коронарные стенты с более тонкими сетками (Yang, 2010).

В системе сплавов CoCr максимальное доведение содержания C до его верхнего предела и добавление Zr и N с оптимальным дисперсионным упрочнением позволяет образование мелких и распределенных карбидов и подавление -фазы, что, в свою очередь, улучшает износостойкость литого сплава CoCr ( Ли, 2008).Напротив, для деформируемых сплавов CoCr добавление N и подавление карбидов и интерметаллидов приводит к желаемой лучшей обрабатываемости (Chiba, 2009).

Сплав Ti типа

имеет более низкий модуль упругости, чем сплав типа и типа +, что делает его первым кандидатом на использование металлических биоматериалов с низким модулем упругости (Narushima, 2010). В системах Ti-Nb, таких как Ti29Nb13Ta4.6Zr (Kuroda, 1998) и Ti35Nb4Sn (Matsumoto, 2005), модули упругости могут быть снижены до 50-60 ГПа, что ближе к модулю кортикальной кости (10-30 ГПа).

Металлические стекла — это новый класс металлов, который в настоящее время привлекает внимание биоматериалов (Schroers, 2009). Представленные некоторыми объемными металлическими стеклами на основе Zr, не содержащими никеля, они демонстрируют интересные свойства с точки зрения более высокой прочности на разрыв, более низкого модуля упругости и более высокой коррозионной стойкости по сравнению с кристаллическими сплавами (Chen, 2010).

Помимо развития состава и микроструктуры сплава, также ведется разработка технологии обработки металлических биоматериалов.Пористая структура дополнительно снижает модуль упругости, чтобы приблизиться к модулю упругости кортикальной кости. Эта структура может быть получена с помощью спекания порошка, методов пространственного держателя, разложения пенообразователей и быстрого прототипирования (Ryan, 2006). Комбинация быстрого прототипирования с литьем по выплавляемым моделям (Lopez-Heredia, 2008), порошковым спеканием (Ryan, 2008), с трехмерным осаждением волокон (Li, 2007) и с селективным лазерным плавлением (Hollander, 2006) является одними из многообещающих процессов для разработка пористой металлической структуры для биомедицинских имплантатов.

6.2. Биоразлагаемые металлы

Разлагаемые биоматериалы можно определить как материалы, используемые для медицинских имплантатов, которые позволяют имплантатам разлагаться в биологической среде (в организме человека) (Hermawan, 2009). Ожидается, что они обеспечат временную поддержку в лечении конкретных клинических проблем (болезнь / травма) и после этого постепенно деградируют. Разлагаемые имплантаты из металла можно рассматривать как новую концепцию, которая фактически противоречит устоявшейся парадигме «металлические биоматериалы должны быть устойчивыми к коррозии».С точки зрения механических свойств, биоразлагаемые металлы более подходят по сравнению с биоразлагаемыми полимерами, когда требуется высокое отношение прочности к объему, например, для винтов / штифтов внутренней фиксации кости и коронарных стентов.

Металл, металлургическое состояние и его состав (мас.%) Плотность (г / см 3 ) YS
(МПа)
UTS
(МПа) 9804

YM (ГПа) Максимальное удлинение (%)
Нержавеющая сталь 316L, отожженная пластина (ASTM, 2003) *
Fe, 16-18.5 Cr, 10-14 Ni, 2-3 Mo, <2 Mn, <1 Si, <0,03 C
8,00 190 490 193 40
Железо, отожженная пластина (Goodfellow, 2007)
99,8 Fe
7,87 150 210 200 40
Сплав Fe35Mn, порошковое спекание + термомеханическая обработка (Hermawan, 2008)
Fe, 35,5 Mn, 0,04 C
N / A 235 550 НЕТ 32
Сплав FeMnPd, литье + термообработка (Schinhammer, 2009)
Fe, 10.2 Mn, 0,92 Pd, 0,12 C
НЕТ 850 1450 НЕТ 11
Магний, отожженный лист (ASM, 1998b)
99.98 Mg
1.74 90 160 45 3
WE43 магниевый сплав, состояние T6 (ASTM, 2001)
Mg, 3,7-4,3 Y, 2,4-4,4 Nd, 0,4-1 Zr
1,84 170 220 44 2
Сплав MgZnMnCa, литье (Zhang, 2008)
Mg, 0.5 Ca, 2,0 Zn, 1,2 Mn
Н / Д 70 190 Н / Д 9
Сплав MgCa, экструдированный (Li, 2008)
Mg, 1 Ca
НЕТ 140 240 Н / Д 11

Таблица 3.

Сравнительные механические свойства предлагаемых разлагаемых металлических биоматериалов по сравнению с нержавеющей сталью 316L. * Неразлагаемый, взят для сравнения. Показанные здесь значения являются минимальными требованиями ASTM.YS = предел текучести, UTS = предел прочности при растяжении, YM = модуль Юнга.

В таблице 3 показано сравнение механических свойств предлагаемых биоразлагаемых металлов с SS316L. По сути, сплавы на основе магния и железа — это два класса металлов, которые были предложены. Среди изученных сплавов на основе Mg можно выделить MgAl- (Heublein, 2003, Witte, 2005, Xin, 2007), MgRE- (Di Mario, 2004, Peeters, 2005, Witte, 2005, Waksman, 2006, Hänzi, 2009). и сплавы на основе MgCa (Zhang, 2008; Li, 2008).Между тем, для сплавов на основе Fe чистое железо (Peuster, 2001, Peuster, 2006) и сплавы FeMn (Hermawan, 2008, Schinhammer, 2010) исследовались в основном для применения в сердечно-сосудистой системе.

Среди наиболее продвинутых исследований биоразлагаемых металлов является разработка стентов. На рис. 2 показан прототип биоразлагаемого стента из железа. Возможность использования биоразлагаемых металлических стентов для лечения сердечно-сосудистых заболеваний была оценена с помощью трех уровней биологической оценки из in vitro, , in vivo, и клинических испытаний.Однако для понимания некоторых фундаментальных аспектов взаимодействия между клетками (тканью) и материалом (продуктом разложения), которые никогда не рассматривались для инертных материалов, настоятельно необходимы дополнительные исследования.

Рисунок 2.

Прототип биоразлагаемого стента; (вверху) в изготовленном виде, (в центре) обжатым на баллонном катетере и (внизу) расширен до 3 мм под давлением 6 атм. (Любезно предоставлено Cordynamics, SA)

7. Заключение

В настоящее время некоторые металлические имплантаты заменены керамическими и полимерными из-за их превосходной биосовместимости и биофункциональности.Однако имплантаты, требующие высокой прочности, жесткости и долговечности, по-прежнему изготавливаются из металлов. С другой стороны, клиническое использование перспективных исследований использования биоактивных полимеров и керамики в регенеративной медицине все еще далеко от практики. С дальнейшим усовершенствованием новых биофункциональностей и революционным использованием металлов, таких как биоразлагаемые имплантаты, можно с уверенностью сказать, что металлы будут продолжать использоваться в качестве биоматериалов в будущем.

Кажется, что будущая тенденция будет сочетать механически превосходящие металлы с превосходной биосовместимостью и биофункциональностью керамики и полимеров для получения наиболее желаемых клинических характеристик имплантатов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить за любезную помощь Исследовательскую группу по технологиям медицинской имплантологии (MediTeg), Universiti Teknologi Malaysia (UTM).