Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Поверхностная модификация с использованием лазерного излучения является перспективным направлением в области создания новых технологий обработки металлических материалов, в том числе медицинского назначения. Способность лазеров изменять поверхностные характеристики материала и, следовательно, его взаимодействие с окружающей средой вызвала большой интерес среди исследователей. Несмотря на многочисленные рекомендации по использованию лазерной обработки поверхности, до сих пор не хватает систематических и детальных исследований по изучению влияния параметров, в особенности ультрафиолетового лазерного воздействия, на структурно-фазовое состояние и свойства модифицированной поверхности. Целью настоящей работы является исследование гидрофильности поверхности никелида титана и стали после УФ-лазерной обработки. Методы исследования. Экспериментальные образцы из сплава на основе никелида титана TiNi (ТН-10) и нержавеющей стали 12Х18Н9Т подвергали локальному (диаметр пучка 0,5 см) воздействию твердотельного Nd:YAG-лазера на длине волны 266 нм с длительностью импульса ~5 нс и частотой повторения импульса 10 Гц. Воздействие на материал осуществляли при постоянной плотности энергии излучения, равной 0,1 Дж/см2, с изменением продолжительности воздействия от 10 до 600 с. До и после УФ-лазерной обработки определяли смачиваемость поверхности материалов и свободную поверхностную энергию. Структуру, элементный и фазовый состав, а также топографию поверхности никелида титана и стали исследовали с помощью растровой электронной микроскопии с определением элементного состава методом энергодисперсионной спектроскопии, рентгенофазового анализа и профилометрии. Результаты и обсуждение. Ультрафиолетовая лазерная обработка поверхности образцов никелида титана и стали приводит к повышению их гидрофильности. В исходном состоянии краевой угол смачивания составляет ≈75° для обоих материалов, а после ультрафиолетовой лазерной обработки он снижается до 11…13° для TiNi и до ≈22° для стали. Фазовый состав стали в процессе лазерной обработки не изменяется, а на поверхности никелида титана после 420 с обработки регистрируются фазы, принадлежащие оксидам. Ультрафиолетовая лазерная обработка никелида титана и стали приводит к увеличению свободной поверхностной энергии, изменению соотношения ее составляющих (уменьшению дисперсной составляющей и значительному росту полярной составляющей) и увеличению содержания кислорода на поверхности обоих материалов. При длительных временах лазерного воздействия (более 420 с) на поверхности обрабатываемого материала происходят изменения морфологии и топографии, приводящие к увеличению шероховатости. Изменение топографии поверхности (шероховатости) никелида титана не оказывает заметного влияния на смачиваемость поверхности металлических материалов, а для стальных образцов наблюдается незначительная тенденция к снижению краевого угла смачивания с увеличением шероховатости. Степень гидрофильности металлических материалов, характеризующаяся краевым углом смачивания, с увеличением продолжительности лазерного воздействия повышается за счет насыщения поверхности свободным кислородом и увеличения свободной поверхностной энергии (ее полярной составляющей). На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что ультрафиолетовая лазерная обработка является эффективным способом изменения смачиваемости металлических материалов.

Об авторах

Т. Ю. Саблина

Email: sabltat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5941-5732
канд. техн. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, sabltat@mail.ru

М. Ю. Панченко

Email: panchenko.marina4@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0236-2227
канд. физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, panchenko.marina4@gmail.com

И. А. Зятиков

Email: zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-3219-9299
Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru

А. В. Пучикин

Email: puchikin@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0001-6931-9800
Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, puchikin@lgl.hcei.tsc.ru

И. Н. Коновалов

Email: ivan@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-1166-1416
канд. физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, ivan@lgl.hcei.tsc.ru

Ю. Н. Панченко

Email: yu.n.panchenko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8017-7268
доктор физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, yu.n.panchenko@mail.ru

Список литературы

  1. Slobodyan M.S., Markov A.B. Laser and electron-beam surface processing on TiNi shape memory alloys: a review // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (5). – P. 565–615. – doi: 10.1007/s11182-024-03158-5.
  2. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом / А.В. Филиппов, Н.Н. Шамарин, Е.Н. Москвичев, О.С. Новицкая, Е.О. Княжев, Ю.А. Денисова, А.А. Леонов, В.В. Денисов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 87–102. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-87-102.
  3. The influence of surface treatment on wettability of TiNi-based alloy / Y.F. Yasenchuk, S.V. Gunther, O.V. Kokorev, E.S. Marchenko, V. Gunther, G.A. Baigonakova, K.M. Dubovikov // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62 (2). – P. 333–338. – doi: 10.1007/s11182-019-01716-w.
  4. Surface treatment of metals in the plasma of a nanosecond diffuse discharge at atmospheric pressure / M. Erofeev, V. Ripenko, M. Shulepov, V. Tarasenko // The European Physical Journal D: Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2017. – Vol. 71. – Art. 117. doi: 10.1140/epjd/e2017-70636-6.
  5. Research progress of metal biomaterials with potential applications as cardiovascular stents and their surface treatment methods to improve biocompatibility / X. Duan, Y. Yang, T. Zhang, B. Zhu, G. Wei, H. Li // Heliyon. – 2024. – Vol. 10 (4). – P. e25515. – doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e25515.
  6. Kolobov Yu.R. Nanotechnologies for the formation of medical implants based on titanium alloys with bioactive coatings // Nanotechnologies in Russia. – 2009. – Vol. 4 (11–12). – P. 758–775. – doi: 10.1134/S1995078009110020.
  7. Studying the influence of nanosecond pulsed laser action on the structure of submicrocrystalline titanium / Y.R. Kolobov, S.S. Manokhin, G.V. Odintsova, V.I. Betekhtin, A.G. Kadomtsev, M.V. Narykova // Technical Physics Letters. – 2021. – Vol. 47. – P. 721–725. – doi: 10.1134/S1063785021070245.
  8. Ionin A.A., Kudryashov S.I., Samokhin A.A. Material surface ablation produced by ultrashort laser pulses // Physics-Uspekhi. – 2017. – Vol. 60. – P. 149–160. – doi: 10.3367/UFNe.2016.09.037974.
  9. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K. Laser processing of metallic biomaterials: an approach for surface patterning and wettability control // The European Physical Journal Plus. – 2015. – Vol. 130 (12). – Art. 247. – doi: 10.1140/epjp/i2015-15247-5.
  10. Mironov Yu.P., Meisner L.L., Lotkov A.I. The structure of titanium nickelide surface layers formed by pulsed electron-beam melting // Technical Physics. – 2008. – Vol. 53 (7). – P. 934–942. – doi: 10.1134/S1063784208070189.
  11. LASER as a tool for surface modification of dental biomaterials: a review / R. Saran, K. Ginjupalli, S.D. George, S. Chidangil, V.K. Unnikrishnan // Heliyon. – 2023. – Vol. 9 (6). – P. e17457. – doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e17457.
  12. Ajmal S., Hashmi F.A., Imran I. Recent progress in development and applications of biomaterials // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62 (1). – P. 385–391. – doi: 10.1016/j.matpr.2022.04.233.
  13. Enhanced bone apposition to a chemically modified SLA titanium surface / D. Buser, N. Broggini, M. Wieland, R.K. Schenk, A.J. Denzer, D.L. Cochran, B. Hoffmann, A. Lussi, S.G. Steinemann // Journal of Dental Research. – 2004. – Vol. 83. – P. 529–533. – doi: 10.1177/154405910408300704.
  14. Graded functionality obtained in NiTi shape memory alloy via a repetitive laser processing strategy / Y. Yang, Z.G. Wu, B.Y. Shen, M.Z. Wu, Z.S. Yuan, C.Y. Wang, L.C. Zhang // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 296. – P. 117177. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117177.
  15. Surface characterizations of laser modified biomedical grade NiTi shape memory alloys / A. Pequegnat, A. Michael, J. Wang, K. Lian, Y. Zhou, M.I. Khan // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 50. – P. 367–378. – doi: 10.1016/j.msec.2015.01.085.
  16. The effect of fs-laser micromachining parameters on surface roughness, bio-corrosion and biocompatibility of nitinol / V. Chenrayan, V. Vaishnav, K. Shahapurkar, P. Dhanabal, M. Kalayarasan, S. Raghunath, M. Mano // Optics and Laser Technology. – 2024. – Vol. 170. – P. 110200. – doi: 10.1016/j.optlastec.2023.110200.
  17. Biocompatibility of the micro-patterned NiTi surface produced by femtosecond laser / C. Liang, H. Wang, J. Yang, B. Li, Y. Yang, H. Li // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 261. – P. 337–342. – doi: 10.1016/j.apsusc.2012.08.011.
  18. Surface microtexturing of Ti–6Al–4V using an ultraviolet laser system / W.-T. Hsiao, H.-C. Chang, A. Nanci, R. Durand // Materials and Design. – 2016. – Vol. 90. – P. 891–895. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.11.039.
  19. Benay U.-Y. Mechanical performance of metallic biomaterials: fundamentals and mechanism // Multiscale cell-biomaterials interplay in musculoskeletal tissue engineering and regenerative medicine / ed. by J. Miguel Oliveira, R.L. Reis, S. Pina. – Academic Press, 2024. – Ch. 5. – P. 113–126. – ISBN 978-0-323-91821-3. – doi: 10.1016/B978-0-323-91821-3.00011-6.
  20. Biocompatibility of micro/nanostructures nitinol surface via nanosecond laser circularly scanning / S. Li, Z. Cui, W. Zhang, Y. Li, L. Li, D. Gong // Materials Letters. – 2019. – Vol. 255. – P. 126591. – doi: 10.1016/j.matlet.2019.126591.
  21. Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of picosecond laser microstructured aluminum in ambient air / J. Long, M. Zhong, H. Zhang, P. Fan // Journal of Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 441. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.jcis.2014.11.015.
  22. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K.Improving the hydrophilicity of metallic surfaces by nanosecond pulsed laser surface modification // Journal of Laser Applications. – 2015. – Vol. 27 (4). – P. 042006-1–042006-9. – doi: 10.2351/1.4928290.
  23. Es-Souni M., Es-Souni M., Fischer-Brandies H. Assessing the biocompatibility of TiNi shape memory alloys used for medical applications // Analytical and Bioanalytical Chemistry. – 2005. – Vol. 381. – P. 557–567. – doi: 10.1007/s00216-004-2888-3.
  24. Shabalovskaya S.A. Physicochemical and biological aspects of nitinol as a biomaterial // International Materials Reviews. – 2001. – Vol. 46. – P. 233–250. – doi: 10.1179/095066001771048745.
  25. Laser-induced wettability gradient surface on NiTi alloy for improved hemocompatibility and flow resistance / Q. Zhang, J. Dong, M. Peng, Z. Yang, Y. Wan, F. Yao, J. Zhou, C. Ouyang, X. Deng, H. Luo // Materials Science and Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110847. – doi: 10.1016/j.msec.2020.110847.
  26. Structure formation on titanium during oxidation induced by cumulative pulsed Nd:YAG laser irradiation / E. György, A. Pérez del Pino, P. Serra, J.L. Morenza // Applied Physics. A, Materials Science & Processing. – 2004. – Vol. 78 (5). – P. 765–770. – doi: 10.1007/s00339-002-2054-8.
  27. Fabrication of superhydrophilic surface on metallic nickel by sub-nanosecond laser-induced ablation / H.-Z. Zhu, H.-C. Zhang, X.-W. Ni, Z-H. Shen, J. Lu // AIP Advances. – 2019. – Vol. 9 (8). – P. 085308. – doi: 10.1063/1.5111069.
  28. Study on the surface properties and biocompatibility of nanosecond laser patterned titanium alloy / Y. Wang, M. Zhang, K. Li, J. Hu // Optics and Laser Technology. – 2021. – Vol. 139. – P. 106987. – doi: 10.1016/j.optlastec.2021.106987.
  29. Surface morphology modifications of titanium based implant induced by 40 picosecond laser pulses at 266nm / D.S. Milovanovic, B. Radak, B.M. Gakovic, D. Batani, M.D. Momcilovic, M.S. Trtica // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 501 (1). – P. 89–92. – doi: 10.1016/j.jallcom.2010.04.047.
  30. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // Journal of Applied Polymer Science. – 1969. – Vol. 13 (8). – P. 1741–1747. – doi: 10.1002/app.1969.070130815.
  31. Razi S., Madanipour K., Mollabashi M. Laser surface texturing of 316L stainless steel in air and water: a method for increasing hydrophilicity via direct creation of microstructures // Optics & Laser Technology. – 2016. – Vol. 80. – P. 237–246. – doi: 10.1016/j.optlastec.2015.12.022.
  32. Nanopatterned metallic surfaces: their wettability and impact on ice friction / A. Kietzig, M. Mirvakili, S. Kamal, P. Englezos // Journal of Adhesion Science and Technology.– 2011. – Vol. 25. – P. 1293–1303.
  33. Dynamics of titanium surface characteristics after its treatment by runaway electron preionized diffuse discharge / M.A. Shulepov, M.V. Erofeev, V.S. Ripenko, V.F. Tarasenko // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 830. – P. 012090. – doi: 10.1088/1742-6596/830/1/012090.
  34. Surface XPS characterization of NiTi shape memory alloy after advanced oxidation processes in UV/H2O2 photocatalytic system / R.M. Wang, C.L. Chu, T. Hu, Y.S. Dong, C. Guo, X.B. Sheng, P.H. Lin, C.Y. Chung, P.K. Chu // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 253 (20). – P. 8507–8512. – doi: 10.1016/j.apsusc.2007.04.018.
  35. Hashimoto K., Irie H., Fujishima A. TiO2 photocatalysis: a historical overview and future prospects // Japanese Journal of Applied Physics. – 2005. – Vol. 44 (12). – P. 8269–8285. – doi: 10.1143/JJAP.44.8269.
  36. Photoinduced surface reactions on TiO2 and SrTiO3 films: photocatalytic oxidation and photoinduced hydrophilicity / M. Miyauchi, A. Nakajima, A. Fujishima, K. Hashimoto, T. Watanabe // Chemistry of Materials. – 2000. – Vol. 12. – P. 3–5. – doi: 10.1021/cm990556p.
  37. Photocatalysis and photoinduced hydrophilicity of various metal oxide thin films / M. Miyauchi, A. Nakajima, T. Watanabe, K. Hashimoto // Chemistry of Materials. – 2002. – Vol. 14. – P. 2812–2816. – doi: 10.1021/cm020076p.
  38. Gentleman M.M., Ruud J.A. Role of hydroxyls in oxide wettability // Langmuir. – 2010. – Vol. 26 (3). – P. 1408–1411. – doi: 10.1021/la903029c.
  39. Рудакова А.В., Емелин А.В. Фотоиндуцированное изменение гидрофильности поверхности тонких пленок // Коллоидный журнал. – 2021. – Т. 83 (1). – С. 3–34. – doi: 10.31857/S0023291221010109.
  40. Surface oxidation phenomenon and mechanism of AISI 304 stainless steel induced by Nd:YAG pulsed laser / C.Y. Cui, X.G. Cui, X.D. Ren, M.J. Qi, J.D. Hu, Y.M. Wang // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 305. – P. 817–824.
  41. In vitro biocompatibility of the surface ion modified NiTi alloy / E. Gudimova, L. Meisner, A. Lotkov, V. Matveeva, S. Meisner, A. Matveev, O. Shabalina // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1783. – P. 020071. – doi: 10.1063/1.4966364.
  42. The structure of the NiTi surface layers after the ion-plasma alloying of Ta / T.M. Poletika, S.L. Girsova, L.L. Meisner, E.Yu. Schmidt, S.N. Meisner // AIP Conference Proceedings. – 2015. – Vol. 1683 (1). – P. 020183. – doi: 10.1063/1.4932873.
  43. Structure and chemical state of oxide films formed on crystalline TiNi alloy and glassy Ti-Ni-Ta-Si surface alloy / V.O. Semin, E.Y. Gudimova, S.Y. Timoshevskaya, E.V. Yakovlev, A.B. Markov, L.L. Meisner // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2023. – Vol. 32. – P. 8478–8492. – doi: 10.1007/s11665-022-07727-y.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».