Покрытия тантала

Покрытия тантала

Для осаждения танталовых покрытий нами впервые была применена безводородная методика газофазного восстановления пентабромида тантала парами кадмия. Покрытия β-тантала были получены при температурах 650-750оС на подложках Мо, Cu, Al2O3, SiO2, сталь 12Х18Н10Т, сплав ЖС6У-ВИ были получены плотные покрытия. На кварцевом стекле SiO2 осаждалась смесь α-тантала и β-тантала в соотношении 2:1. Отжиг полученных покрытий при температуре Т = 1273 К переводит β-тантал в α-модификацию. Самую высокую скорость роста покрытий наблюдали на подложке из сплава ЖС6У-ВИ, при осаждении тантала на которой образуется диффузионный слой из интерметаллидов.

Применение танталовых покрытий

Пленки и покрытия на основе тантала используют в микроэлектронике, нефтегазовой промышленности, химическом машиностроении, медицине и др. Танталовые покрытия применяются в качестве диффузионного барьера в жаростойких покрытиях, например, лопаток турбин. Жаростойкое покрытие на основе тантала стволов орудий позволяет существенно ресурс работы ствола. Стабильная форма α-Ta имеет высокую температуру плавления Tпл = 3023оС, пластична, проявляет химическую стойкость к кислотам и агрессивным газам. Низкое удельное сопротивление металлического α-Ta (20–40 мкОм см) позволяет использовать его в тонкопленочных конденсаторах и для металлизации интегральных схем. Метастабильная модификация β-Ta и формируется как правило в тонких пленках, имеет относительно высокое удельное сопротивление (160–200 мкОм см) и применяется в конденсаторах и резисторах.

Один из примеров - биологически совместимые материалы

Создание биосовместимых материалов сложной формы имеет важное значение для развития биомедицинских имплантатов и тканевой инженерии. Широко применяемым классом биосовместимых материалов являются биоинертные материалы, которые не имеют воспалительной реакции, хотя и способны зарастать фиброзной тканью, особенно в ортопедических имплантатах, что приводит к расшатыванию имплантата.

Тантал является одним из лучших металлических биоинертных материалов. Это твердый, пластичный, высоко химически стойкий материал, образующий компактный пассивный оксидный слой с хорошей адгезией, что облегчает врастание в кости. Тантал демонстрирует отсутствие воспалительных реакций, независимо от позиции импланта, типа тканей и формы имплантатов. Титан и сталь, используемые в качестве имплантов, необходимо очищать от вредных для организма легирующих добавок и примесей, что достаточно сложно достичь практически. В зависимости от применения, танталовые импланты могут быть в объемной форме (как правило, пористые) и в виде покрытия.

Например, кардиологические стенты должны иметь: высокую гибкость, высокую пластичность, высокие прочность и жесткость, высокую рентгеноконтрастность, биосовместимость с организмом. Основными используемыми материалами для производства стентов являются нержавеющая сталь (316L SS, 03X17H14M3), платиноиридиевые сплавы, тантал, нитинол, кобальтохромовые сплавы, титан и его сплавы, чистое железо и магниевые сплавы. Тантал имеет хорошую биосовместимость и высокую коррозионную стойкость, но чисто танталовые стенты хуже, чем стенты из нержавеющих сталей. Главная причина этого - более низкие механические свойства по сравнению с нержавеющими сталями. Предел текучести тантала близок к пределу прочности, из-за этого танталовые стенты имеют высокую вероятность поломки во время развертывания.

Применение стентов из нержавеющих сталей или титана с танталовым покрытием позволяет сочетать механические свойства подложки и биоинертность тантала. Например, нанокристаллическое покрытие β-Ta на подложке Ti-6Al-4V показало высокую твердость в сочетании с хорошей устойчивостью к контактным повреждениям [Nanocrystalline β-Ta Coating Enhances the Longevity and Bioactivity of Medical Titanium Metals 2016, 6, 221; doi:10.3390/met6090221]. Важно, также, что тантал виден в рентгеновских лучах и при МРТ [Matsuno H, Yokoyama A, Watari F, Uo M, Kawasaki T., Biocompatibility and osteogenesis of refractory metal implants, titanium, hafnium, niobium, tantalum and rhenium // Biomaterials. 2001 22(11):1253-62.]. Отмечается, что использование танталовых покрытий позволяет добиться максимальной биологической реакции, улучшить механические характеристики и уменьшить общие затраты, по сравнению с тем же материалом в объемном виде. (Cristea D., Ghiuţă I., Munteanu D. Tantalum based materials for implants and prostheses applications. Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Series I: Engineering Sciences. 2015. Vol.8. Iss.2. p.151-158.).

Интересным направлением создания имплантов с покрытием из тантала являются сетчатые углеродистые пены, имитирующие микроструктуру губчатой кости в качестве армирующих кости имплантов с врастанием материала кости в имплант.