Углеситалл УСБ – технические характеристики и применение

Углеситалл (УСБ) — изотропный пироуглеродный конструкционный материал, получаемый методом направленной кристаллизации при пиролизе углеводородов в присутствии галогенидов бора и кремния. Материал представляет собой композит на основе монолитного углерода со сферическими частицами размером в десятки нанометров, обладающий уникальным сочетанием физико-механических и биологических свойств.

Состав и структура углеситалла

Углеситалл относится к семейству ситаллов — стеклокристаллических материалов с тонкозернистой мелкокристаллической структурой. В отличие от обычных графитовых материалов, углеситалл имеет однородную изотропную структуру, что обеспечивает одинаковые свойства во всех направлениях.

Химический состав медицинского углеситалла: углерод ~86%, бор ~14%. Существует также марка УСБ-15 с содержанием бора ~18%. Микроструктура характеризуется межплоскостным расстоянием d₀₀₂ = 0,3446 нм и размерами кристаллитов Lc = 9,2 нм, La = 9,0-10,1 нм.

Технология получения углеситалла

Процесс производства углеситалла основан на химическом осаждении из газовой фазы (CVD). Материал откладывается на графитовую подложку цилиндрической формы при высокой температуре. Предварительно на подложку наносится термокомпенсационная углеродная прослойка анизотропной структуры, что исключает возникновение внутренних напряжений в выращенном массиве углеситалла.

Усовершенствованная технология позволяет получать заготовки в виде пластин размером 35×60×6 мм и втулок для изготовления корпусов изделий. Производство углеситалла сверхсложный процесс.

Физико-механические свойства углеситалла

Углеситалл обладает комплексом свойств, делающих его незаменимым для ответственных применений.

Плотность и структурные характеристики

Плотность материала составляет (1,80-2,10)×10³ кг/м³. Микротвердость — 700-1400 МПа, что обеспечивает высокую износостойкость и возможность получения высококачественных полированных поверхностей.

Прочностные характеристики

Углеситалл демонстрирует высокие прочностные показатели:

• Предел прочности при изгибе — 318±31 МПа
• Предел прочности при сжатии — 455±36 МПа
• Предел прочности при растяжении — 115±31 МПа
• Модуль продольной упругости — 23,7 ГПа
• Модуль упругости при изгибе — 23,0 ГПа
• Коэффициент Пуассона — 0,273

Термические свойства

Материал характеризуется исключительной термической стабильностью:

• Коэффициент температурного линейного расширения — 3,62×10⁻⁶ К⁻¹ (в диапазоне от -50°C до +200°C)
• Коэффициент теплопроводности — (23-25) Вт/(м·К)
• Высокая стойкость к окислению
• Стабильность свойств в широком температурном диапазоне

Электрические свойства

Удельное электрическое сопротивление углеситалла составляет (14-15)×10⁻⁶ Ом·м, что позволяет использовать его для изготовления индикаторных и хемотропных электродов.

Марки углеситалла

Наиболее распространенные марки углеситалла:

• УСБ-П — пластинчатая форма для изготовления плоских деталей
• УСБ-В — трубчатая форма для изготовления корпусных деталей
• УСБ-15 — марка с повышенным содержанием бора (~18%)
• УСБ-18, УСБ-Т, УСБ-М — специализированные марки для различных применений

Применение углеситалла в медицине

Основная область применения углеситалла — медицинские имплантаты. Материал одобрен Минздравом России для использования в организме человека.

Искусственные клапаны сердца

Углеситалл является основным материалом для изготовления элементов искусственных клапанов сердца (створок и корпусов). Материал обеспечивает:

• Биологическую инертность и гемосовместимость
• Газонепроницаемость
• Высокую износостойкость при циклических нагрузках
• Стабильность в физиологических условиях (температура, pH)
• Возможность достижения высокой чистоты поверхности (Ra=0,05 мкм, Rz=0,4 мкм)

С 1994 года в России произведено более 22 000 искусственных клапанов сердца из углеситалла повышенной прочности.

Ортопедические и стоматологические имплантаты

Мелкозернистая структура материала и возможность получения полированных поверхностей высокого класса чистоты делают углеситалл перспективным для имплантатов опорно-двигательной системы и стоматологии.

Техническое применение углеситалла

Благодаря уникальным свойствам, углеситалл востребован в технических отраслях:

Прецизионные механические детали

Высокая твердость и износостойкость позволяют изготавливать из углеситалла детали, работающие в условиях интенсивного трения. Материал допускает высочайший уровень механической обработки, обеспечивая точность размеров и качество поверхности.

Уплотнения для агрессивных сред

Химическая инертность и газонепроницаемость делают углеситалл идеальным материалом для уплотнений в аппаратах, контактирующих с агрессивными химическими средами. В отличие от стеклоуглерода СУ-2000 и стеклоуглерода СУ-2500, углеситалл обладает повышенной прочностью.

Электрохимические применения

Углеситалл используется для изготовления индикаторных и хемотропных электродов. Электроды на его основе могут взаимодействовать со всеми сплавами и металлами, не изменяя свою структуру и свойства. По электрическим характеристикам материал близок к пироуглероду, но превосходит его по механической прочности.

Формы поставки углеситалла

Компания RusskijMetall.ru поставляет углеситалл в следующих формах:

• Пластины — размеры от 3×60×100 мм до 6×30×30 мм
• Кольца — различных типоразмеров от Ø50×Ø40×50 мм до Ø200×Ø185×20 мм
• Втулки — от Ø16×φ12×10 мм до Ø40×Ø30×15 мм
• Детали по чертежам заказчика

По согласованию с изготовителем возможно изготовление деталей других размеров. Все детали подлежат 100% входному контролю качества.

Система контроля качества углеситалла

Углеситалл относится к хрупким материалам и крайне чувствителен к концентраторам напряжений. Поэтому система контроля качества многоступенчатая.

Контроль микроструктуры

Проверка однородности структуры методом оптической микроскопии при увеличении ×300. Структура должна быть однородной, изотропной, без крупных включений анизотропного пироуглерода и неоднородностей.

Контроль физико-механических свойств

100% контроль каждой пластины и втулки включает определение:

• Плотности
• Микротвердости
• Коэффициента вариации микротвердости (показатель внутренних напряжений)
• Предела прочности на изгиб (для образцов-свидетелей)

Контроль качества поверхности

Визуальный контроль на отсутствие трещин, расслоений, раковин, сколов размером более 1 мм. Для ответственных применений поверхность должна быть максимально полированной (Ra=0,05 мкм, Rz=0,4 мкм), так как концентраторы напряжений с радиусом менее 0,15 мм критически снижают прочность.

Проверочные испытания

Для изделий медицинского назначения проводятся проверочные тесты с нагрузкой, превышающей физиологическую не менее чем в 10 раз, но не превышающей 50% от средней прочности материала. Такое предварительное нагружение не создает микротрещин и не влияет на прочность, но выявляет изделия с критическими дефектами.

Особенности механической обработки

Углеситалл поддается всем видам механической обработки.

• Резка
• Точение
• Фрезерование
• Шлифование
• Полирование

Качество обработки поверхности существенно влияет на прочностные характеристики: полированная поверхность обеспечивает на 17% более высокую прочность по сравнению с шлифованной. Недопустимы концентраторы напряжений с радиусом менее 0,15 мм.

Преимущества углеситалла перед аналогами

По сравнению с другими углеродными материалами, такими как искусственный графит или стеклоуглерод, углеситалл обладает уникальным сочетанием свойств.

• Изотропность свойств (в отличие от пирографита)
• Повышенная прочность (в 1,5-2 раза выше стеклоуглерода)
• Биологическая совместимость (одобрено для имплантатов)
• Высокая износостойкость
• Газонепроницаемость
• Химическая инертность
• Возможность получения высококачественной полированной поверхности

Нормативная документация

Производство и поставка углеситалла осуществляется в соответствии с ТУ «Углеситалл марки УСБ и детали из него». Документ регламентирует технические требования, методы контроля, правила приемки, транспортирования и хранения.

Для медицинских применений материал имеет регистрационное удостоверение Министерства здравоохранения РФ.

Условия поставки от RusskijMetall.ru

Компания RusskijMetall.ru осуществляет поставки углеситалла по всей России:

• Минимальный объем поставки уточняется индивидуально
• Сроки изготовления зависят от типоразмера и количества
• Доставка транспортными компаниями
• Возможность изготовления деталей по чертежам заказчика
• Предоставление полного комплекта технической документации
• Консультации по применению материала

Для получения коммерческого предложения и технической консультации обращайтесь к специалистам RusskijMetall.ru. Углеситалл УСБ — материал для самых ответственных применений, где требуется надежность, долговечность и биосовместимость.