Проекты

Сравнение коррозионной стойкости аморфного и кристаллического сплава на основе циркония

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Химия в фармации и медицине»

Направление работы: Нанотехнологии. Биосовместимые материалы
Авторы работы: ГБОУ «Школа № 1747»
Предметы: Физика, Химия
Классы: 8 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину» 2020 года

Актуальность

Аморфные металлические материалы (металлические стёкла) – это относительно новая группа материалов, которые имеют очень высокую прочность, в разы выше, чем у кристаллических сплавов. Прочность – основной фактор, определяющий необходимость их исследования и разработки новых металлических стёкол. Исследования некоторых аморфных сплавов показали, что при наличии аморфной структуры также повышается коррозионная стойкость. Циркониевые сплавы применяют в различных отраслях науки и техники от атомной промышленности (как материал ТВЭЛов) до медицины (как материал биоимплантов). В связи с этим коррозионная стойкость этих сплавов является одним из важнейших эксплуатационных свойств.

Цель

Сравнить коррозионную стойкость аморфного и кристаллического металлических материалов на основе циркония одинакового химического состава.

Задачи

1. Получить образцы аморфного металлического материала.

2. Получить из аморфного материала кристаллический материал.

3. Доказать наличие аморфной и кристаллической структур в исследуемых образцах.

4. Сравнить стойкость к коррозии исследуемых образцов в соляной кислоте как наиболее агрессивной для сплавов циркония.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Вакуумная аргонно-дуговая печь

• Литейная машина с вакуумной атмосферой и индукционным нагревом

• Рентгеновский дифрактометр Bruker D8 Advance

• Сканирующий калориметр SETARAM Labsys

• Аналитические весы

• Химическая посуда

• Химические реагенты

Описание

Для приготовления аморфного сплава были использованы чистые металлы. Нужное количество металла откусывали специальными кусачками, так как во избежание загрязнения органическими веществами нельзя использовать смазочные вещества и, соответственно, ножовку. Заготовки взвешивали на аналитических весах и погружали в медный тигель вакуумной аргонно-дуговой печи.

 

В печи создавали вакуум, откачивая воздух из камеры при помощи специального насоса. Для устранения из атмосферы остаточных примесей водорода и кислорода в атмосферу печи помещали чистый титан. Титан имеет высокое сродство к газовым элементам и работает как адсорбент при нагревании. В электрической дуге при температуре около +4000 °C слиток переплавлялся несколько раз для получения однородного состава, после отключения дуги происходила кристаллизация.

Полученный слиток был помещён в литейную машину с вакуумной атмосферой и индукционным нагревом в кварцевый тигель и разлит в медную изложницу.

 

Для дальнейших исследований от слитка отрезали образцы. Структурное состояние и температуру кристаллизации определили при помощи термического анализа. Три аморфных образца нагревали в вакуумной печи до температуры +650 °C и выдерживали 30 минут для получения образцов с кристаллической структурой. Наиболее простым методом определения аморфной или кристаллической структуры является рентгеновский анализ.
Далее для обоих типов образцов была проанализирована стойкость к коррозии. В качестве агрессивной среды был использован водный раствор соляной кислоты разной концентрации: в 10%-м и 20%-м растворах HCl выдерживали 7 суток, в 40%-м растворе (концентрированная HCl) – 1 сутки.

Результаты

1. Полученный образец имел аморфную структуру. Самый простой проверкой является тест на прочность, заключающийся в ударе образца о твёрдый предмет. Если сплав аморфный, то образец не деформируется и не разрушается, а только отскакивает от твёрдой поверхности. Следов деформации после ударов у полученного образца не выявили.

2. На рентгеновской дифрактограмме аморфного образца, полученного без отжига, нет пиков, типичных для кристаллических фаз. На дифрактограмме кристаллического образца после отжига наблюдаются типичные пики, соответствующие кристаллическому состоянию.

 

3. На кривой тепловой поток – температура при первом нагреве наблюдалось несколько пиков с выделением тепла. При температуре выше +500 °C происходила кристаллизация. Второй нагрев уже кристаллического образца не обнаружил никаких превращений в заданном интервале температур.

 

4. Выдерживание до 7 суток в 10%-м и 20%-м растворах HCl не привело к появлению следов коррозии на поверхности образцов. Масса образцов не изменилась.

 

Использование концентрированной соляной кислоты (40%) привело к полному разрушению кристаллического образца, за одни сутки он превратился в порошок (а). Образец с аморфной структурой не изменил внешний вид и сохранил массу (б).

 

Выводы

1. Получен слиток металлического стекла на основе циркония.
2. Рентгеновский и термический анализы показали, что сплав имеет аморфную структуру с температурой кристаллизации около +500 °C. Отжигом при температуре +650 °C получен кристаллический образец того же состава с доминирующей фазой Zr3Cu.
3. Аморфный сплав на основе циркония имеет значительно более высокую стойкость к коррозии, чем кристаллический сплав того же состава.

Перспективы использования результатов работы
Результаты работы определили перспективность использования исследуемого сплава в различных отраслях науки и техники – от атомной промышленности до медицины.

Сотрудничество с вузом при создании работы

НИТУ «МИСиС»

Мнение автора
«Работать в данном направлении мне очень понравилось. Я получил интересный опыт видеозаписи выступления для участия в конференции «Старт в медицину». Желаю проекту успешно развиваться»