Упругие свойства и механические характеристики сплавов на основе Ti-Nb22-Zr6 были рассчитаны методом точных маффин-тин орбиталей в приближении когерентного потенциала. Рассматривалось легирование металлами, такими как Hf, Mg и их комбинациями, при этом их концентрация не превышала 5 ат.%. Было показано, что добавление Hf и Mg приводит к понижению модуля Юнга как из-за размерного эффекта, так и из-за электронного фактора. Рассчитанный модуль Юнга для тройного сплава Ti-Nb22-Zr6 (70.1 ГПа) хорошо согласуется с экспериментальным значением (70 ГПа). Наименьшее значение модуля Юнга было рассчитано для сплава Ti-Nb22-Zr6-Hf5-Mg2.5, достигая 57 ГПа. Дальнейшее увеличение концентрации Mg приводит к отрицательному значению C’ и дестабилизации сплава. Кроме того, легирование сплава Ti-Nb22-Zr6 приводит к снижению твердости и трещиностойкости, но при этом повышается индекс хрупкости.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- УДК
- 53. Физика
Ti–Nb based alloys are very promising materials for biomedical applications [1–7] because of their low Young’s modulus (E) and biochemical compatibility with bone tissues. Our calculations of binary Ti–Me alloys (Me = V, Nb, Mo, Ta) demonstrated that near critical concentration of second component (β → α transformation) all alloys have sharp decrease of E. However, prolonged contact of vanadium ions with biological tissues can provoke allergic reactions and have a negative effect on the nervous system [6]. Molybdenum, although is not considered cytotoxic, has an extremely detrimental effect on the rate of cell proliferation, mitochondrial activity and the volume of cells cultured on it [6]. So, the Ti–(Ta, Nb) based system can particularly suitable for orthopedic implants due to a reduced Young’s modulus. Indeed, modern low-modulus alloys are mainly developed based on the Ti–Nb system with alloying elements such as Zr/Hf, Ta and Sn [5–7]. These elements, like Ti, are characterized by high biocompatibility and are β-stabilizing or neutral elements [6, 8]. Besides, the atomic radii of these elements exceed the size of the Ti atom that can also decrease the Young’s modulus.
Если у вас возникли вопросы или появились предложения по содержанию статьи, пожалуйста, направляйте их в рамках данной темы.
Список литературы
1. Niinomi M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A, 1998, 243, P. 231-236.
2. Long M., Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement - a materials science perspective. Biomater., 1998, 19, P. 1621-1639. EDN: ACQADX
3. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants - A review. Prog. Mater. Sci., 2009, 54, P. 397-425.
4. Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2008, 1, P. 30-42. EDN: XTOYGI
5. Yu Z. Titanium alloys for biomedical development and applications. Design, microstructure, properties, and application. Elsevier, Amsterdam, 2022, 245 p.
6. Biesiekierski A., Wang J., Gepreel M.A.H., Wen C. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys, Acta Biomater., 2012, 8, P. 1661- 1669. EDN: PHBNNP
7. Illarionov A.G., Nezhdanov A.G., Stepanov S.I., Muller-Kamskii G., Popov A.A. Structure, phase composition, and mechanical properties of biocompatible titanium alloys of different types. Phys. Met. Metall., 2020, 121, P. 367-373. EDN: LXCNCD
8. Li Y., Yang C., Zhao H., Qu S., Li X., Li Y. New developments of Ti-based alloys for biomedical applications. Materials, 2014, 7, P. 1709-1800. EDN: SOGMSB
9. Marker C., Shang S.L., Zhao J.C., Liu Z.K. Effects of alloying elements on the elastic properties of bcc Ti-X alloys from first-principles calculations. Comput. Mater. Sci., 2018, 142, P. 215-226. EDN: YIIWPZ
10. Yao Q., Sun J., Xing H., Guo W. Influence of Nb and Mo contents on phase stability and elastic property of β-type Ti-X alloys. Trans. Nonferrous Met. Soc. China., 2007, 17, P. 1417-1421.
11. Zunger A., Wei S.H., Ferreira L.G., Bernard J.E. Special quasirandom structures. Phys. Rev. Lett., 1990, 65, P. 353-356.
12. Vitos L. Computational quantum mechanics for materials engineers. The EMTO method and applications. Springer, London, 2007, 238 p.
13. Dubinskiy S., Baranova A., Markova G., Prokoshkin S., Zelenina A., Kolotova L., Starikov S., Korotitskiy A., Bazlov A., Brailovski V. Atypical intrinsic elinvar behavior of beta Ti-22Nb-6Zr alloy in high and wide temperature range: atomic mechanism and control of the effect. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2026, in press.
14. Hill R. The elastic behaviour of a crystalline aggregate. Proc. Phys. Soc., Sect. A, 1952, 65, P. 349-354.
15. Jiang X., Zhao J., Wu A., Bai Y., Jiang X. Mechanical and electronic properties of B12-based ternary crystals of orthorhombic phase. J. Phys.: Condens. Matter., 2010, 22, 315503.
16. Lee C.M., Ju C.P., Chern Linn J.H. Structure-property relationship of cast Ti-Nb alloys. J. Oral Rehabil., 2002, 29, P. 314-322. EDN: BAOBTJ
17. Fikeni L. Microstructural evolution and its influence on mechanical properties of Ti-Nb binary alloys. University of Pretoria, Pretoria, 2021, 95 p.
18. Niu H., Niu S., Oganov A.R. Simple and accurate model of fracture toughness of solids. J. Appl. Phys., 2019, 125, 065105. EDN: WTWXVA
19. Boccaccini A.R. Machinability and brittleness of glass-ceramics. J. Mater. Process. Technol., 1997, 65, P. 302-304.
20. Lutjering G., Williams J.C. ¨ Titanium, second ed. Springer, Berlin, 2007, 442 p.
21. Schwarz K., Blaha P., Madsen G.K.H. Electronic structure calculations of solids using the WIEN2k package for material sciences, Comput. Phys. Commun., 2002, 147 (1-2), P. 71-76. EDN: AYEFUB
22. Raabe D., Sander B., Friak M., Ma D., Neugebauer J. Theory-guided bottom-up design of ’ β-titanium alloys as biomaterials based on first principles calculations: Theory and experiments. Acta Materialia, 2007, 55, P. 4475-4487. EDN: MBGYUL
23. Boyer R.R., Welsch G., Collings E.W. Materials properties handbook: titanium alloys. ASM Int., Mater. Park, 1994, 1176 p.
24. Kasparyan S.O., Bakulin A.V., Kulkova S.E. The influence of alloying elements on the elastic properties of β-Ti. J. Exp. Theor. Phys., 2026, 169, P. 71-81. (in Russian).
25. Kwasniak P., Wrobel J.S., Garbacz H. Origin of low Young modulus of multicomponent, biomedical Ti alloys - Seeking optimal elastic properties ’ through a first principles investigation. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2018, 88, P. 352-361. EDN: YJYWWT
26. Hao C.P., Wang Q., Ma R.T., Wang Y.M., Qiang J.B., Dong C. Cluster-plus-glue-atom model in bcc solid solution alloys. Acta Phys. Sin., 2011, 60 (11), 116101.
27. Kasparyan S.O., Ordabaev A.E., Bakulin A.V., Kulkova S.E. Elastic and thermal properties of some ternary β-Ti based alloys. Nanosystems Phys. Chem. Math., 2025, 16 (2), P. 225-234. EDN: QTLPGE
28. Kasparyan S.O. Electronic structure and elastic moduli of binary and ternary β-titanium alloys. Cand. Sci. (Phys.-Math.) Dissertation. Nat. Res. Tomsk State Univ., Tomsk, 2025, 154 p. (in Russian).
Выпуск
Другие статьи выпуска
Проведено сравнительное исследование окислительно-восстановительного поведения нанокристаллических изоструктурных двойных ортофосфатов церия(IV) состава ACe2(PO4)3 (А = NH4+, K+, Rb+). Установлено, что по отношению к алкилпероксильным радикалам или пероксиду водорода в качестве активных форм кислорода все двойные фосфаты церия(IV) действовали как антиоксиданты или прооксиданты, соответственно. Антиоксидантная активность по отношению к алкилпероксильным радикалам оказалась выше у фосфатов, содержащих калий или рубидий. Примечательно, что для KCe2(PO4)3 и RbCe2(PO4)3 была обнаружена обратная зависимость каталитической активности от концентрации в реакции с H2O2, в отличие от NH4Ce2(PO4)3. Окислительно-восстановительное поведение наноразмерного диоксида церия, использованного для сравнения, было аналогично поведению ортофосфата церия(IV)-аммония, но значительно ниже в абсолютных значениях. Это было объяснено подавляющим эффектом фосфат-анионов, присутствующих в буферных растворах.
В работе впервые проведено сравнительное исследование микроструктуры и механических свойств керамики цирконата гадолиния, полученной методом электроискрового спекания из гидроксидных прекурсоров, синтезированных без и с использованием механоактивации. Исходный прекурсор был получен методом обратного соосаждения гидроксидов. Механоактивация (МА) прекурсора проводилась в планетарной мельнице АГО-2 при центробежном факторе 20 g в течение 30 мин. С помощью рентгенофазового анализа показано, что керамика является нанокристаллической. Механические свойства (микротвердость и модуль Юнга) керамики, полученной на основе механоактивированного прекурсора, превосходят аналогичные показатели керамики на основе исходного прекурсора.
Термодинамический анализ трансформаций гидроксидов в системе Mg1-xNix(OH)2-SiO2-H2O при гидротермальном синтезе нанотубулярных частиц со структурой хризотила показал решающую роль процессов их дегидратации и повторного образования гидроксидов в ходе гидротермальной обработки реагентов на состав и морфологические параметры целевого продукта. В зависимости от состава гидроксидного реагента и T-P-условий в реакционной среде зоне выделены три области, в которых резко изменяется механизм формирования нанотубулярных частиц со структурой хризотила, что и является непосредственной причиной немонотонной зависимости Mg/Ni соотношения и размерных параметров нанотрубок (Mg1-xNix)3Si2O5(OH)4 от Mg/Ni соотношения в исходном гидроксиде.
В работе рассматривается применение лазерной корреляционной спектроскопии к исследованию дисперсных систем для такого случая, который можно рассматривать как переходный к режиму многократного рассеяния. Показано, что даже незначительное нарушение условия однократного рассеяния за счет увеличения концентрации рассеивающих центров может привести к эффекту, который изменит результат измерения размера частиц. Это следует учитывать при изучении коллоидов.
В данном исследовании представлены проектирование и теоретический анализ перестраиваемого двуосного гиперболического метаматериала (БГММ), построенного из слоистой гетероструктуры n-GaAs/AlGaAs под воздействием внешнего магнитного поля. Цель состоит в оптимизации перестраиваемости для управления формой дисперсии в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. Используется модель приближения эффективной среды (ПЭС), демонстрирующая сосуществование двух волновых мод, а именно замкнутой эллипсоидальной и открытой гиперболоидальной изочастотной поверхности. Результаты показывают, что внешнее магнитное поле действует как мощный механизм настройки, позволяющий осуществлять спектральный сдвиг дисперсии и активное переключение между гиперболическими режимами типа I и типа II. Кроме того, анализируются условия, необходимые для достижения экстремального сжатия изочастотной поверхности (ИЗП), что имеет важное значение для управления направлением луча. Это сжатие происходит, когда одна из компонент диэлектрической проницаемости достигает чрезвычайно больших значений, что приводит к образованию почти плоских сегментов на изочастотной поверхности
В настоящей статье показана возможность увеличить время хранения инверсного состояния OS с 140 до 500 мин при 145 ℃ в сегнетоэлектрических конденсаторах на основе Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) путем сдвига вправо конечной точки интегрирования тока. Учет переходных процессов между управляющими импульсами после отжига в течение 500 мин при температуре 145 ℃ позволяет повысить сохраняемость состояния OS с 21 % до 35 % от начального значения. Противоположная тенденция выявлена для состояний SS (снижение с 56 % до 35 %) и NSS (снижение с 63 % до 45 %). Также показано, что наличие сдвига напряжения, вызванного эффектом импринта, в некоторых случаях может и не приводить деградации поляризации благодаря току, который протекает на полке максимального напряжения управляющего импульса.
Мы изучаем трёхчастичные операторы Шрёдингера на двумерной решётке Z2 и показываем, что критическое отношение масс γc ≈ 2.75194 определяет существование связанного тримера в фермионной 2+1 конфигурации (два тождественных фермиона и третья частица). При γ < γc имеется топологическое запрещение (подавление Паули) трёхчастичного связанного состояния, тогда как при γ < γc возникает дважды вырожденное собственное значение ниже существенного спектра с асимптотикой сильной связи z(γ, λ) = -λ+e0(γ)+O(λ-1). В рамках единого подхода, основанного на принципе Бирмана-Швингера и асимптотическом анализе в режиме сильной связи, мы сравниваем это поведение с бозонным случаем трёх тождественных частиц, где два связанных состояния существуют ниже существенного спектра и энергия основного состояния удовлетворяет z1s(µ) = -3µ + C2 + O(µ-1). Возникающий фазовый переход второго рода по отношению масс важен для планирования экспериментов по фермионным тримерам в оптических решётках и для моделирования экситонных комплексов и дефектно-связанных состояний в двумерных наноматериалах, где критическое значение γc служит ориентиром для наблюдаемости трёхчастичных связанных состояний. Мы также намечаем модифицированную трёхчастичную решёточную модель с двумя конкурирующими каналами взаимодействия, для которой анализ Бирмана-Швингера естественным образом приводит к сценарию Ландау фазового перехода первого рода в пространстве тримерных связанных состояний. В бозонном случае мы доказываем теорему о сильной связи, описывающую существование и асимптотику тримерных связанных состояний, а в фермионном 2+1 случае устанавливаем теорему о спектральном фазовом переходе, которая даёт явное критическое отношение масс γc, разделяющее тримерный и бестримерный режимы.
В данной статье исследуется задача Коши в полуплоскости для неоднородного уравнения четвертого порядка с дробной производной в смысле Капуто. Единственность решения показывается с помощью преобразования Лапласа. При построении решения сначала находятся частные решения, выраженные через функции Райта. Затем с помощью этих частных решений строятся функции Грина. Решение строится в явном виде с использованием функции Грина. Также получен явный вид фундаментального решения.
Исследуется колебательное поведение всех решений дифференциального уравнения второго порядка с запаздыванием, имеющего несколько отклоняющихся аргументов и неотрицательных коэффициентов. Получены некоторые достаточные условия для колебаний. Приведен также пример, иллюстрирующий значимость наших основных результатов.
В данной работе исследуются слабо периодические p-адические квазигиббсовские меры для модели Поттса с q состояниями на дереве Кэли порядка k. Кроме того, продемонстрировано, что для всех q, не меньших 3, и k, не меньших 2, существуют такое простое число p и параметр, которые гарантируют возникновение фазового перехода.
Мы исследуем операторы Шрёдингера Hλµ(K), ассоциированные с двухфермионной системой на трёхмерной решётке T3 при фиксированном полном квазиимпульсе K ∈ T3, где частицы взаимодействуют посредством связей с ближайшими и вторыми ближайшими узлами с константами взаимодействия λ, µ ∈ R. Для случая K = 0 установлено, что оператор Hλµ(0) допускает приведённое инвариантное подпространство, ограничение на которое зависит только от параметра µ ∈ R. Показано, что µ-параметрическая прямая содержит две критические точки, соответствующие нижнему и верхнему порогам спектра; в каждой из этих точек определитель Фредгольма приведённого оператора обращается в нуль. Каждая из критических точек разбивает параметрическую прямую на два бесконечных интервала, на которых число собственных значений, расположенных ниже (соответственно, выше) существенного спектра, остаётся постоянным. В зависимости от значения параметра µ соответствующий приведённый оператор имеет ровно одно дискретное собственное значение, расположенное либо ниже нижней границы, либо выше верхней границы существенного спектра. Кроме того, получена нижняя оценка на число дискретных собственных значений оператора Hλµ(K) для всех K ∈ T3.
Издательство
- Издательство
- ИТМО
- Регион
- Россия, Санкт-Петербург
- Почтовый адрес
- Кронверкский пр., д.49, лит. А, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 197101.
- Юр. адрес
- Кронверкский пр., д.49, лит. А, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 197101.
- ФИО
- Васильев Владимир Николаевич (Ректор)
- E-mail адрес
- od@itmo.ru
- Контактный телефон
- +7 (812) 6070277
- Сайт
- https:/itmo.ru