Томские ученые разработали новый подход для получения порошка форстерита, который используют для изготовления биосовместимых имплантатов и огнеупорной керамики. Метод позволяет контролировать форму и состав частиц, а после обжига получать плотную и прочную керамику, сопоставимую по свойствам с материалами из нанопорошков, сообщили ТАСС в Минобрнауки РФ.

«Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Томского научного центра СО РАН предложили новый подход для получения качественного порошкового сырья для форстеритовой керамики. Этот керамический материал используют в огнеупорных изделиях, электронике и биомедицинских имплантатах. Подход ученых позволил контролировать форму и химический состав частиц, а после спекания получать прочную керамику с высокой плотностью», — сказано в сообщении.

Форстерит — соединение магния, кремния и кислорода, которое благодаря прочности и огнеупорности подходит для электроники, керамики и биосовместимых имплантатов. Однако для его использования нужны порошки высокой чистоты с частицами одинакового размера и формы, которые сложно получить из природных материалов из-за неоднородного состава и склонности частиц к слипанию.

Ученые смешали кремнийсодержащее вещество, нитрат магния и специальный полимер в кислой среде, в результате чего образовались сферические заготовки размером 1-5 микрометров. При нагреве свыше 900 градусов Цельсия они превращаются в чистый форстеритовый порошок. Ученые выяснили, что при неправильных условиях синтеза частицы слипаются в крупные капли размером до 50 микрометров, что ухудшает качество порошка. Промывка спиртом также оказалась нежелательной — она вымывала магний и нарушала нужный состав материала. После оптимизации метода эти проблемы удалось устранить.

«В конечном счете полученный продукт было бы правильно называть полусферическим, поскольку собственно микросферы составляют где-то половину всех частиц. Остальное приходится на субмикроскопические частицы, преимущественно оксида магния, избавиться от которых в данной системе, видимо, не представляется возможным. Тем не менее, даже в таком виде порошок демонстрирует хорошую формуемость и позволяет получать плотную качественную форстеритовую керамику», — отметил ассистент Научно-образовательного центра Н. М. Кижнера ТПУ Александр Меженин.

Из полученных порошков ученые спрессовали керамические образцы и обожгли их при температуре 1300–1600 градусах Цельсия. Готовая керамика обладала относительной плотностью 91% и пористостью 1,3%, а ее прочность на изгиб составила 202 МПа, что сопоставимо с характеристиками материалов из нанопорошков, получаемых по другим технологиям.

Об исследовании

Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 6.0). В будущих исследованиях ученые проверят, как сферические порошки ведут себя в реальных процессах формования — например, в суспензиях для 3D-печати, при литье и при экструзии.