005986 Настоящее изобретение относится к способу ... структур с использованием полупроводниковой технологии, ...

005986
Настоящее изобретение относится к способу и системе предотвращения коррозии проводящих
структур с использованием полупроводниковой технологии, в частности, когда проводящие структуры
являются частью биомедицинского устройства, расположенного в теле или на нем.
Предшествующий уровень техники
За последние несколько столетий было найдено множество способов борьбы с коррозией для продления срока службы металлических конструкций в коррозионных средах. Эти способы обычно включают использование защитных покрытий, которые применяют главным образом для повышения стойкости к коррозии черных металлов, таких как сталь, и некоторых цветных металлов, таких как алюминий, и
для устранения необходимости использования более дорогих сплавов. Таким образом, повышаются характеристики и снижается стоимость. Однако защитные покрытия, как правило, имеют несколько недостатков, включающих невысокую пригодность для использования с неметаллическими структурами, которые также страдают от коррозии или биологического загрязнения.
Защитные покрытия делятся на две основные категории. Крупнейшей из этих категорий является
временное покрытие, такое как краска, которая действует как физический барьер, отделяющий поверхность от окружающей среды. Вторая категория состоит из расходуемых покрытий, например из цинка
или кадмия, которые предназначены для предпочтительного корродирования и защиты основного металла от агрессивного воздействия.
Катодная защита и покрытия являются инженерными решениями, направленными на сдерживание
или предотвращение коррозии. Способы отличаются друг от друга: катодная защита предотвращает коррозию посредством приложения электрического тока от внешних источников для противодействия нормальным электрохимическим коррозионным реакциям, тогда как покрытия формируют барьер для предотвращения протекания коррозионного тока или движения электронов между естественно возникающими анодами и катодами или между гальваническими парами. Каждый из этих способов обеспечивает
ограниченный успех. Покрытия, безусловно, представляют наиболее широко распространенный способ
общего предотвращения коррозии (см. патент США № 3562124 и патент США № 4219358). Однако катодная защита используется для защиты сотен тысяч миль труб и акров стальных поверхностей, подвергающихся воздействию коррозии при заглублении в землю и погружении в жидкость.
Катодная защита используется для уменьшения коррозии поверхности металла посредством подачи
в нее катодного тока, чтобы сделать скорость анодного растворения ничтожно малой (см. патенты США
№ 3574801, № 3864234, № 4381981, № 4836768, № 4863578, № 4957612). Катодная защита заключается в
устранении разности потенциалов между локальными катодными и анодными поверхностями посредством приложения достаточного тока для поляризации катодов к потенциалу анодов. Другими словами,
эффектом приложения катодных токов является скорее уменьшение площади, которая продолжает действовать как анод, а не уменьшение скорости коррозии остающихся анодов. Полная защита достигается,
когда ликвидированы все аноды. С электрохимической точки зрения это означает, что в защищаемый
металл перенесено достаточно электронов и любая тенденция ионизации металла или его перехода в раствор нейтрализуется.
Недавние исследования в области коррозии привели к открытию, что электрохимическая коррозия
возникает в связи со случайными флуктуациями электрических характеристик электрохимических систем, таких как гальванический ток и электродный потенциал. Эти случайные флуктуации известны как
"шум". Исследователи стали применять технику анализа шума для изучения процессов коррозии в электрохимических системах.
В патентах США № 5352342 и № 5009757 раскрыто силикатное покрытие на основе цинка/оксида
цинка, которое используют в комбинации с электронными средствами в системе предотвращения коррозии. Частицы цинка/оксида цинка в покрытии описаны как имеющие свойства полупроводника, главным
образом р-n-перехода в межфазной границе Zn-ZnO. При обратном смещении этот p-n-переход описан
как обладающий свойствами диода и препятствующий переносу электронов через границу. Это сдерживание ограничивает перенос электронов из точек окисления Zn в точки восстановления кислорода на поверхности ZnO. Фактически это повышает сопротивление между анодом и катодом локальных коррозионных элементов, и коррозия уменьшается.
Переход на основе Zn-ZnO будет обратносмещенным вследствие потенциалов, связанных с окислением Zn на поверхности Zn и восстановлением O2 на поверхности ZnO. Однако возникают значительные
стохастические флуктуации напряжения. Эти флуктуации напряжения вызывают эпизодическое прямое
смещение перехода. Когда переход является прямосмещенным, передача электронов через переход возрастает, и происходит ускорение окисления Zn и восстановление O2. Фактически происходит короткое
замыкание между анодом и катодом локальных коррозионных элементов, и коррозия усиливается.
В патенте раскрыто помещение постоянного конденсатора в электрохимическую цепь системы предотвращения коррозии. Однако не предусмотрено регулирование емкости и не предложено какого-либо
способа определения уровня емкости, необходимого для эффективного предотвращения коррозии в любой структуре. Следовательно, необходимо использовать избыточную емкость, чтобы система была эффективной.
Внутреннюю среду живого организма часто сравнивают с морской средой, где, как считается, заро-1-
005986
дилась жизнь. Как отмечалось выше, искусственные объекты в море подвержены воздействию ряда
вредных процессов, включая биологическое загрязнение и коррозию. Процесс биологического загрязнения характеризуется прилипанием и ростом как микро-, так и макроорганизмов. Многие из указанных же
вредных процессов происходят на устройствах, которые либо имплантированы в тела людей и другие
живые организмы, либо тесно связаны с такими устройствами (например, плазмафарезные системы, диализные элементы и т.п.). Использование полупроводниковых материалов в биологических средах лишь
недавно начало приносить полезные результаты (см. публикацию Mirkin et al, Nature, 405, 626, 2000 г.).
Биологическое загрязнение биомедицинских устройств и поверхностей часто возникает в форме пленок
из бактерий, также известных как бактериальные биопленки. Это явление было описано Mittelman в
"Methods in Enzymology", 310, 534-551, 1999 г., где раскрыты извлечение и описание бактерий биопленки
на медицинских устройствах. Один подход к обработке и контролю таких бактериальных биопленок был
предложен McLeod и др. в "Methods in Enzymology", 310, 656-670, 1999 г. посредством использования
комбинации электромагнитных полей и антибиотиков. К сожалению, применение таких электромагнитных полей, требующих установления тщательно контролируемого тока, является тонкой лабораторной
работой и неосуществимо на месте, где могли бы испытываться реальные долговременные эффекты биологического загрязнения.
Краткое описание существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является получение полупроводникового и гибкого покрытия, которое придает любой проводящей и непроводящей структуре, которую помещают в тело или которая
связана с биомедицинскими устройствами, такие свойства, как стойкость к коррозии, к биологическому
загрязнению/отторжению и антибиотические свойства.
Другой задачей настоящего изобретения является создание способа защиты проводящих металлических структур от коррозии, который тонко подходит к уникальным характеристикам металлической
или неметаллической структуры и ее расположению в теле живого организма.
Другой задачей настоящего изобретения является создание способа предотвращения биологического загрязнения, инфекции и коррозии проводящих структур посредством использования полупроводниковой технологии и без внешнего анода, без электролита и без тока.
Другой задачей настоящего изобретения является создание системы защиты проводящих структур
от биологического загрязнения, инфекции и коррозии внутри тела, которая обеспечивает долговременную защиту и требует минимального обслуживания.
Поставленные задачи решены благодаря разработке полупроводниковых биологически "приемлемых" покрытий и связанной с ними электронной системы, причем система может работать с применением простой фильтрации флуктуаций напряжения в проводящей структуре, на которую нанесено полупроводниковое покрытие. Способ согласно изобретению заключается в нанесении на проводящую
структуру полупроводникового покрытия, причем с этой покрытой структурой соединяют фиксированный электронный фильтр, текущем наблюдении шума, генерируемого указанным покрытием, имеющим
соединенный с ним фиксированный электронный фильтр, использовании регулируемого фильтра, соединенного с указанным покрытием, для определения антикоррозионной характеристики фильтра, необходимой для сведения к минимальному шума, генерируемого указанным покрытием, и замене указанного
регулируемого фильтра пассивным или активным фильтром, имеющим характеристику фильтра, соответствующую, по меньшей мере, указанной антикоррозионной характеристике фильтра, при этом проводящей структурой является биомедицинское устройство, прикрепленное к телу человека или имплантированное в него.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием со ссылками на сопровождающие
чертежи, на которых
фиг. 1 изображает схему перехода Zn/ZnO согласно изобретению;
фиг. 2 изображает электрическую цепь, эквивалентную заявленной системе, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Согласно настоящему изобретению предложен способ предотвращения коррозии любой проводящей структуры, поддающейся коррозии, который заключается в нанесении на проводящую структуру
полупроводникового покрытия и соединении полученной покрытой структуры с фиксированным электронным фильтром, осуществлении текущего наблюдения коррозионного шума, генерируемого системой, и определении характеристики фильтра, необходимой для сведения к минимальному коррозионного
шума. В контексте настоящего изобретения термин "коррозионный шум" использован для обозначения
флуктуаций напряжения, которые возникают в результате процесса электрохимической коррозии. В одном варианте осуществления изобретения предусмотрено регулирование характеристики фильтра с использованием регулируемого фильтра для определения характеристики фильтра, требуемой для сведения
к минимальному шума, генерируемого структурой с покрытием, затем замену регулируемого фильтра
пассивным электронным фильтром, имеющим, по меньшей мере, определенную антикоррозионную характеристику фильтра. В альтернативном варианте осуществления изобретения предусмотрена замена
регулируемого фильтра активным электронным фильтром системы слежения, которая осуществляет те-2-
005986
кущий контроль шума и автоматически регулирует характеристику фильтра для минимизации флуктуаций в системе.
Настоящее изобретение минимизирует коррозионный шум посредством соединения полупроводникового покрытия с электронным фильтром. Электронный фильтр имеет характеристику, определенную в
контексте настоящего изобретения как уровень снижения шума на заданной частоте. Как отмечалось
выше, фильтр может быть пассивным, то есть емкостно-резистивным фильтром нижних частот, или активным фильтром. В каждом случае фильтр минимизирует флуктуации напряжения. Переходы, присутствующие в полупроводниковом покрытии, в этом случае сохраняют обратносмещенное состояние. Осредненный по времени поток электронов от анодной области в катодную область в полупроводниковом
покрытии в этом случае уменьшается, и покрытие эффективно пассивируется.
Пассивным, то есть емкостно-резистивным фильтром нижних частот, по существу являются конденсатор и резистор. В заявленной системе полупроводниковое покрытие действует в определенной степени как резистор с конденсатором, завершающим емкостно-резистивный фильтр. Пригодные активные
фильтры включают, но не ограничиваются ими, фильтры Баттеруорта, фильтры Бесселя и фильтры Саллен-Ки. Эти активные фильтры доступны на рынке и/или могут быть легко изготовлены специалистом в
данной области техники. Активные фильтры представляют собой схему операционного усилителя с конденсаторами. Предпочтительно, чтобы основным элементом фильтров согласно настоящему изобретению являлся конденсатор. Характеристикой фильтра является емкость, необходимая для уменьшения
шума на данной частоте.
Измерение шума в соответствии с настоящим изобретением используется для тонкой настройки
системы в конкретных вариантах применения. На основе измеренного шума могут быть определены и
улучшены требуемые свойства фильтра и местоположение фильтра в системе, что необходимо для стойкого предотвращения коррозии по всей поверхности структуры, даже в очень больших структурах, таких
как авианосцы или мосты с большими пролетами. Согласно настоящему изобретению, отслеживаются
флуктуации напряжения между покрытой поверхностью и малошумящим, обладающим высоким полным сопротивлением электродом сравнения. Пригодный электрод сравнения с высоким полным сопротивлением может быть выполнен из насыщенной хлористой ртути или из насыщенного сульфата. Доступный на рынке электрод сравнения с высоким полным сопротивлением может быть поставлен различными компаниями, например Backman Instruments или Corning. Шум может отслеживаться с использованием этих электродов при помощи осциллографа, показывающего флуктуации напряжения. В альтернативном варианте данные, полученные от электродов, могут храниться и анализироваться с использованием персонального компьютера с аналого-цифровым преобразователем. Полученные данные могут анализироваться с использованием анализа с помощью временных рядов, таких как быстрое преобразование
Фурье (FFT) или способ максимальной энтропии (MEM). Эти способы могут давать результаты либо в
реальном масштабе времени, либо задержанные результаты. При этом обеспечивается определение
уровня характеристики фильтра и расположение фильтров, необходимое для генерирования почти ровной линии на осциллографе (то есть минимизации шума). Это может осуществляться в одной точке конструкции или для более тонкого контроля во множестве точек на поверхности конструкции. Характеристики электронного фильтра и место установки фильтра могут регулироваться для минимизации измеренных флуктуаций напряжения и, таким образом, максимизации пассивирования покрытия. Конечным
результатом является резкое повышение срока службы системы предотвращения коррозии для любого
необходимого типа структуры. Это происходит вследствие уменьшения коррозионного шума и, как
следствие, резкого уменьшения защитной коррозии полупроводникового покрытия.
Согласно настоящему изобретению также предложено полупроводниковое покрытие, которое может использоваться с различными проводящими подложками для получения совокупности требуемых
качеств. Полупроводниковым покрытием согласно настоящему изобретению может быть любое полупроводниковое покрытие, включая полупроводниковые покрытия, имеющие (a) полупроводниковые домены как n-типа, так и р-типа, (b) переходы металл-полупроводник, (с) переходы проводник второго рода-полупроводник, (d) переходы металл-полупроводник-проводник второго рода, (е) переходы полупроводник-изолятор-полупроводник и различные их комбинации. Полупроводниковое покрытие согласно
изобретению может использоваться в различных целях. Главной целью является предотвращение коррозии проводящих структур.
Заявленная система предотвращения коррозии проводящих подложек содержит
(a) полупроводниковое покрытие, контактирующее по меньшей мере с частью поверхности проводящей структуры, и
(b) средство для фильтрации коррозионного шума, содержащее сток электронов, такой как батарея
или другой источник напряжения, и фильтр, такой как конденсатор, соединенное с покрытой проводящей структурой.
Способ предотвращения коррозии содержит следующие шаги: очистку наружной поверхности проводящей структуры, нанесение на наружную поверхность проводящей структуры полупроводникового
покрытия, соответствующего настоящему изобретению, и использование электронного фильтра для минимизации коррозионного шума в системе.
-3-
005986
Ключевым моментом в способе и системе согласно изобретению является измерение коррозионного шума, генерируемого всей системой, включая подложку, покрытие и фильтр, и минимизация этого
шума посредством применения электронного фильтра.
Для предотвращения коррозии и биологического загрязнения система согласно изобретению содержит два взаимозависимых компонента: полупроводниковое покрытие и средство для приложения
результирующего отрицательного напряжения смещения к проводящей структуре, на которую нанесено
покрытие. Полупроводниковое покрытие наносят на проводящую поверхность после ее очистки предпочтительно посредством пескоструйной обработки до получения чистоты металлических поверхностей
или приемлемым способом для очистки неметаллических проводящих структур. Когда проводящая поверхность очищена посредством пескоструйной обработки, она имеет множество канавок или углублений глубиной от 0,1 мил (1 мил = 0,0254 мм) до нескольких мил. Полупроводниковое покрытие следует
наносить таким образом, чтобы его толщина была по меньшей мере на 2 мил больше глубины углублений, сформированных в процессе очистки, предпочтительно от 2 до 10 мил, наиболее предпочтительно
7-9 мил. На гладкие поверхности без существенных углублений покрытие может наноситься толщиной
около 0,5 мил.
Структура, которая может быть защищена заявленным способом, может быть изготовлена из любого проводящего материала, подверженного коррозии. Предпочтительно это металлическая структура из
черного металла или цветного проводящего металла. Типичные металлы включают железо, сталь и алюминий.
Полупроводниковое покрытие согласно настоящему изобретению представляет собой покрытие из
металла или металлического сплава с наличием оксида (оксидов) данного металла (металлов) или без
него. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения покрытие является системой
Zn/ZnO. Металл или металлический сплав может использоваться сам по себе или может быть скомбинирован с пригодным связующим веществом. Связующие вещества включают различные силикатные связующие вещества, такие как силикат натрия, силикат магния или силикат лития. Металл или металлический сплав в покрытии должен обладать более высоким потенциалом окисления, чем защищаемый проводящий материал. Стандартные электродные потенциалы для большинства металлов хорошо известны
и приведены ниже для множества различных металлов.
Стандартные электродные восстановительные потенциалы (относительно водородного электрода)
Fe+2+2e- = Fe:-0,41
Zn+2+2e- = Zn:-0,76
Ti+2+2e- = Ti:-1, 63
Al+3+3e- = Al:-l,71
Ce+3+3e- = Ce:-2,34
Mg+2+2e- = Mg:-2,38
Ba+2+2e- = Ba:-2, 90
Cs++e- = Cs:-2,92
Использованы данные из «CRC Handbook of Chemistry and Physics», 60-е издание, редактор Robert
C.Weast, CRC Press, Inc., Boca Raton, FL, 1979 г.
Поскольку покрытие согласно изобретению является расходуемым относительно защищаемого
проводящего материала, хотя расходуется в минимальной степени, когда коррозионный шум минимизирован, при выборе металла, который должен быть включен в покрытие, важно подобрать металл, имеющий стандартный электродный потенциал, который более отрицателен, чем потенциал защищаемого
проводящего материала. Например, для защиты Fe, присутствующего в стали, в покрытии можно использовать Zn, Ti или любой из других металлов, имеющих более отрицательный стандартный электродный потенциал, чем -0,44. При защите металла, имеющего очень большое отрицательное значение электродного потенциала, такого как алюминий (-1,68), целесообразно использовать сплав металла, имеющего менее отрицательный электродный потенциал (такого как Zn), с металлом, имеющим более отрицательный электродный потенциал (таким как Мg). Этот сплав будет создавать покрытие с требуемым расходом при одновременном исключении высокой степени окисления, которая могла бы возникать с покрытием, содержащим только металл с высоким отрицательным значением электродного потенциала,
такой как Мg. Также можно исключить получение покрытия, которое слишком быстро расходуется из-за
включения металла с высоким отрицательным значением электродного потенциала в одно из указанных
выше связующих веществ. Вместо сплава из двух металлов металл с более отрицательным электродным
потенциалом может быть включен в качестве противоиона силикатного связующего вещества.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения полупроводниковое покрытие согласно
настоящему изобретению может быть покрытием, описанным, например, в патентах США № 3620784, №
5352342, № 5009757. Основными элементами неорганического цинкового покрытия являются кремнезем,
кислород и цинк. В жидкой форме они являются относительно небольшими молекулами силиката металла, такого как силикат натрия, или органического силиката, такого как этилсиликат. Эти по существу
мономерные материалы соединены поперечными связями в структуру кремнезем-кислород-цинк, которая является базовым пленкообразователем или связующим веществом для всех неорганических цинко-4-
005986
вых покрытий. Пригодными неорганическими цинковыми покрытиями для использования согласно настоящему изобретению являются различные доступные на рынке покрытия типа алкилсиликата или гидролизованного щелочью силиката. Одним из доступных на рынке покрытий является Carbozinc D7
WB™, производимое фирмой Carboline, Inc.
Покрытие согласно настоящему изобретению может также включать дополнительные полупроводники n-типа, такие как Sn/SnO, дополнительно покрытие может быть легировано металлами, такими как
Аl или Ga, для повышения проводимости покрытия или 1-5% Li для понижения проводимости покрытия.
Переход металл/оксид металла (Zn/ZnO) в покрытии согласно настоящему изобретению действует как
диод в электрохимической системе. Таким образом, покрытие содержит множество микродоменов, действующих как диоды. Из-за коррозионного шума, генерируемого покрытием, диод периодически включается и выключается вследствие флуктуаций потенциала проводимости микродоменов в покрытии. Эта
флуктуация потенциала проводимости и переключение диода вызывает защитную коррозию покрытия.
Посредством снижения проводимости покрытия легированием, например Li, можно снижать потенциал
переключения диода для понижения самой низкой точки кривой флуктуации шума. Это будет минимизировать защитную коррозию покрытия при сохранении защиты проводящего материала структуры.
Можно добавить, что посредством надлежащего подбора материала полупроводникового покрытия
для проводящей поверхности можно создать как традиционные пассивные, так и новые активные барьеры.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения цинковая пыль покрытия согласно настоящему изобретению формирует переход металл-полупроводник, где граничат металлический цинк и
оксид цинка, при этом оксид цинка является полупроводником n-типа.
Предпочтительный вариант покрытия согласно изобретению схематически показан на фиг. 1. В
увеличенном масштабе показана пористая природа к покрытию 4 из цинка/оксида цинка/силиката. Частицы 1 цинка покрыты слоем 2 оксида цинка, причем различные покрытые оксидом частицы окружены
нерастворимым связующим слоем 3 силиката металла. В переходе 5 между покрытием и металлом расположен нерастворимый слой силиката металла, который, в случае со стальной структурой, может быть
нерастворимым слоем силиката железа.
Проводящая структура согласно настоящему изобретению может быть любой проводящей структурой, требующей защиты от коррозии, включая как металлические структуры, так и неметаллические
структуры. Примерами металлических структур могут служить металлические транспортные средства,
такие как суда, самолеты, автомобили, боевые танки или бронетранспортеры, металлические детали
транспортных средств, мосты, железнодорожные соединительные механизмы, контейнеры, трубы и металлические башни, а также биомедицинские устройства. Примерами металлических деталей транспортных средств могут служить металлические детали таких транспортных средств, как автомобили, самолеты, поезда, военная сухопутная техника, такая как танки, а также корабли и другие морские суда. Примерами контейнеров являются контейнеры нефтеочистительных заводов, бункеры для хранения и накопительные бункеры. Примерами неметаллических проводящих структур могут быть проводящие бетонные
и проводящие полимерные структуры. Коррозионные процессы также негативно влияют на эти неметаллические проводящие структуры и также могут быть минимизированы в соответствии с настоящим изобретением. Проводящий бетон был предложен как возможный материал для плавающих взлетнопосадочных полос. Система согласно настоящему изобретению может способствовать предотвращению
коррозии бетона, продлевая срок службы и структурную целостность бетонных конструкций.
В дополнение к этому система обеспечивает предотвращение коррозии биомедицинских устройств,
находящихся внутри тела живого организма, предпочтительно человеческого тела. Трудностью, с которой сталкиваются при имплантации биомедицинских устройств на проводящей металлической и неметаллической основе, является коррозия устройств в человеческом теле. В контексте настоящего изобретения термин "биомедицинские устройства" включает устройства, которые имплантированы в тело, а
также любое устройство, находящееся снаружи от тела и подверженное воздействию телесных жидкостей, вызывающих поверхностную коррозию устройства. Примерами могут служить искусственные суставы, искусственные органы и любые другие устройства, используемые для лечения человека.
Благодаря нанесению на поверхность устройства полупроводникового покрытия согласно настоящему изобретению и подключению требуемого фиксированного электронного фильтра устройство может быть тонко настроено с использованием регулируемого фильтра и измерения шума. Например, при
имплантации и соединении фиксированного электронного фильтра с биомедицинским устройством шум
может быть измерен и минимизирован с использованием регулируемого фильтра. Перед завершением
процедуры имплантации средство для измерения шума и регулируемый фильтр можно отсоединить и
присоединить фиксированный пассивный или активный фильтр, имеющий требуемую характеристику.
Фильтр может располагаться снаружи или даже внутри, если необходимо, практически как в случае с
кардиостимуляторами. Кроме того, источник электропитания для электронной системы должен быть
таким же простым, как блок питания для кардиостимулятора, например в виде одной батареи типа ААА
или даже микробатареи, такой как тонкопленочная батарея, которая может обладать достаточной энергией для питания системы в течение нескольких лет. Можно использовать любой тип батареи, включая
-5-
005986
щелочные, никель-кадмиевые и другие подзаряжаемые батареи. Использование тонкопленочных батарей
позволяет располагать батареи непосредственно на поверхности полупроводникового покрытия, что
обеспечивает получение наиболее компактного завершенного блока.
В биомедицинских вариантах применения полупроводниковое покрытие можно наносить на поверхность устройства, выполненного либо из металла, такого как титан или нержавеющая сталь, часто
используемых в биомедицинских устройствах, либо из неметаллического проводящего материала, такого
как полимерный композиционный материал, обладающий электропроводными свойствами. Такие полимерные композиционные материалы могут включать полимерные составы, содержащие проводящее углеродное волокно в полимере, составы из углеродного волокна и эпоксидной смолы, составы из углеродных нанотрубок и эпоксидной смолы и другие полимерные материалы, в которые заключен электропроводный углерод. Другие пригодные полимерные материалы могут включать физиологически приемлемый полимерный материал, например силиконы, Teflon, Kel-F и другие высокофторированные полимеры. Могут также использоваться высокоэластичные полимеры, поскольку полупроводниковые покрытия, нанесенные на поверхность, обладают существенной степенью гибкости. Нанесение полупроводникового покрытия на полимерные материалы можно осуществлять известными способами.
Одно из значительных преимуществ, получаемых при осуществлении настоящего изобретения, состоит в минимизации защитной коррозии полупроводникового покрытия. При этом срок службы покрытия будет увеличен до уровня, который во много раз превышает срок службы обычных защитных покрытий. Этого можно было бы достичь под водой посредством приложения катодного тока, но потребовало
бы существенного тока, и процессом было бы очень трудно управлять. Кроме того, катодный ток не может использоваться в биомедицинских устройствах, поскольку поддержание такого тока в теле невозможно. Способ согласно настоящему изобретению предусматривает действие на покрытие изнутри и,
таким образом, предотвращает атмосферную коррозию, когда коррозионной средой является влага, конденсирующаяся из воздуха. Это очень важно для защиты внутренних поверхностей современных судов,
в которых конструкции, предназначенные для повышения прочности, имеют участки, подверженные
коррозии, и защиты деталей автомобилей, мостов, самолетов и поездов. Можно обеспечить значительный прорыв в повышении характеристик покрытия по предотвращению биологического загрязнения.
Это возможно благодаря тонкой настройке рабочего цикла электронной системы и минимизации защитной коррозии. Испускание ионов металла из поверхности, создающих локально токсичную среду для
загрязняющих организмов, минимизировано и может даже прекращаться на макроуровне, хотя ионы металла могут испускаться и притягиваться обратно циклической работой электроники на микроуровне.
Для предотвращения биологического загрязнения в теле при исключении токсичных воздействий на тело
в целом могут использоваться другие металлы, которые значительно более токсичны, чем цинк, такие
как Hg/HgO, Cd/CdO и им подобные. Для оптимального предотвращения биологического загрязнения и
коррозии могут также применяться комбинации этих металлов.
Другим предпочтительным вариантом является использование способа и системы для защиты
внутренних поверхностей современных судов, где конденсация наиболее велика вследствие высокого
содержания соли и где недостаточно влажности для работы систем катодной защиты. Без шумового
фильтра цинк, содержащийся в покрытии, мог бы быстро растворяться и разъедаться притоком конденсата в трюмные отсеки. Однако при применении шумового фильтра на металлическом основании это
растворение эффективно предотвращается.
Кроме того, использование шумового фильтра на стальном основании корабля создает минимальные помехи для корабельных электронных устройств, не большие чем включение на корабле электрической лампочки, а также не создает обнаруживаемого сигнала для средств обнаружения противника, поскольку шумовой фильтр, хотя для него и используется батарея или другой источник питания электроники, не создает поля, которое могло бы ощутимо излучаться за покрытие. Характеристики поглощательности цинка хорошо известны и его часто используют для электромагнитного экранирования на
корпусах электронных устройств. Таким образом, также не будет обнаруживаемого электромагнитного
излучения от морских объектов, на которых применяется данная система.
Фиксированный электронный фильтр согласно настоящему изобретению действует как конденсатор, имеющий соединенный с ним сток электронов для поддержания обратносмещенного состояния конденсатора. Предпочтительно фиксированный электронный фильтр содержит комбинацию обычных источников электропитания, например средств электропитания постоянного тока, таких как батарея, например 12-вольтная батарея, солнечные элементы и средства электропитания переменного тока. Также
следует отметить, что хотя этот элемент в данном описании назван "источником электропитания", в настоящей системе нет тока и нет напряжения. Соответственно, термин "источник электропитания" использован для удобства и не подразумевает потока электронов. Достаточным является средство электропитания, подающее напряжение от 0,5 до 30 В, наиболее предпочтительно 10-20 В, если в распоряжении
имеется замкнутая цепь. Фиксированный электронный фильтр (то есть источник электропитания и конденсатор) может соединяться с покрытой проводящей подложкой либо непосредственно с подложкой,
либо с покрытием. В предпочтительном варианте средство электропитания имеет отрицательный полюс,
непосредственно соединенный с защищаемой проводящей структурой. Положительный полюс средства
-6-
005986
электропитания соединен с проводящей структурой через фильтр/конденсатор, с частью структуры, удаленной от отрицательного полюса. Поскольку настоящее изобретение не предусматривает создания
электрического тока, который уменьшается по мере увеличения расстояния между полюсами, расстояние
между полюсами не является критическим фактором при условии, чтобы положительный и отрицательный полюса не касались друг друга. Предпочтительно соединение положительного полюса выполняют
на расстоянии от 0,01 до 30 м от точки соединения отрицательного полюса, наиболее предпочтительно от
5 до 10 м от точки соединения отрицательного полюса.
Способ согласно настоящему изобретению предусматривает самоконтроль действия системы. Не
существует токов и напряжений, требующих слежения и периодического регулирования, как было бы в
случае с обычной системой катодной защиты. Кроме того, настоящая система не может выйти из-под
контроля и серьезно повредить удерживающие ее элементы, как это может происходить в системе катодной защиты под током. Единственной причиной сокращения срока службы покрытия может служить
действие переносимых ветром и водой абразивных частиц. Поскольку стойкость к абразивному износу
покрытия в некоторой степени выше стойкости покрытия, полученного гальваническим способом, срок
службы заявленного покрытия может быть увеличен до нескольких десятилетий.
Кроме того, использование активного фильтра и системы текущего контроля, которая постоянно
отслеживает флуктуации шума и регулирует характеристики фильтра, такие как отклик фильтра и частота среза, срок службы заявленного покрытия может быть увеличен посредством предотвращения увеличения интенсивности потерь на защитную коррозию вследствие увеличения коррозии со временем.
На фиг. 2 показана эквивалентная цепь, характеризующая систему, соответствующую настоящему
изобретению. В цепи элемент 10 соответствует сопротивлению (Rs) раствора, элементы 11 и 12 соответствуют гальваническому электродному потенциалу на аноде (Еа) и катоде (Ес) соответственно. Источник
(En) шума в цепи представлен элементом 13. Полное сопротивление анода (Ra) и катода (Rс) представлены элементами 14 и 15 соответственно. Переход металл-полупроводник на границе Zn/ZnO показан
как диод (D) 16. Шумовой фильтр (F), являющийся либо активным, либо пассивным фильтром, представлен элементом 17.
Возможны многие модификации и варианты осуществления изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ предотвращения коррозии проводящей поверхности биомедицинского устройства, представляющего собой искусственный сустав или орган и контактирующего с коррозионной средой, включающий в себя: а) нанесение на проводящую поверхность полупроводникового покрытия и подключение
электронного фильтра к покрытой проводящей структуре; b) контроль коррозионного шума, генерируемого покрытой проводящей структурой, и регулирование характеристик электронного фильтра для минимизации коррозионного шума.
2. Способ по п.1, в котором упомянутый электронный фильтр содержит источник питания и конденсатор.
3. Способ по п.1, в котором упомянутую стадию b) контроля коррозионного шума и регулирования
осуществляют непрерывно с использованием активного фильтра и средства контроля.
4. Способ по п.1, в котором упомянутый электронный фильтр содержит множество конденсаторов и
упомянутая стадия b) дополнительно включает в себя определение местоположения каждого из множества конденсаторов на упомянутой проводящей поверхности.
5. Способ по п.1, в котором упомянутая проводящая поверхность представляет собой металлическую проводящую поверхность.
6. Способ по п.5, в котором упомянутая металлическая проводящая поверхность содержит металл,
выбранный из группы, состоящей из черных металлов и проводящих цветных металлов.
7. Способ по п.6, в котором упомянутый металл представляет собой сталь.
8. Способ по п.6, в котором упомянутый металл представляет собой алюминий.
9. Способ по п.6, в котором упомянутый металл представляет собой нержавеющую сталь.
10. Способ по п.6, в котором упомянутый металл представляет собой титан.
11. Способ по п.1, в котором упомянутая проводящая поверхность представляет собой неметаллический проводящий материал.
12. Способ по п.11, в котором упомянутый неметаллический проводящий материал представляет
собой композиционный материал из углеродного волокна и эпоксидной смолы.
13. Способ по п.11, в котором упомянутый неметаллический проводящий материал представляет
собой композиционный материал из углеродных нанотрубок и эпоксидной смолы.
14. Способ по п.11, в котором упомянутый неметаллический проводящий материал представляет
собой проводящий углерод, внедренный в физиологически приемлемый полимер.
15. Способ по п.1, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит полупроводниковые домены р-типа и n-типа.
16. Способ по п.1, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход металл-7-
005986
полупроводник.
17. Способ по п.1, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход проводник второго рода - полупроводник.
18. Способ по п.1, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход металл полупроводник - проводник второго рода.
19. Способ по п.1, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход полупроводник – изолятор - полупроводник.
20. Способ по п.1, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие представляет собой покрытие из металла/оксида металла/силиката.
21. Способ по п.20, в котором упомянутое покрытие из металла/оксида металла/силиката представляет собой покрытие из цинка/оксида цинка/силиката.
22. Способ по п.21, в котором упомянутое покрытие из цинка/оксида цинка/силиката содержит цинк
в количестве 80-92 мас.% в расчете на сухое покрытие.
23. Способ по п.22, в котором упомянутое покрытие из цинка/оксида цинка/силиката содержит цинк
в количестве 85-89 мас.% в расчете на сухое покрытие.
24. Способ по п.20, в котором упомянутое покрытие из металла/оксида металла/силиката содержит
металл, выбранный из группы, состоящей из Zn, Ti, Al, Ga, Ce, Mg, Ba и Cs, и соответствующий оксид
металла.
25. Способ по п.24, в котором упомянутое покрытие из металла/оксида металла/силиката содержит
смесь из одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Zn, Ti, Al, Ga, Ce, Mg, Ba и Cs,
и одного или более металлических оксидов, полученных из этих металлов.
26. Способ по п.24, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие дополнительно содержит
одну или более легирующую примесь.
27. Биомедицинское устройство, представляющее собой искусственный сустав или орган, защищенное от коррозии и/или биологического загрязнения и содержащее полупроводниковое покрытие на
своей проводящей поверхности, фиксированный электронный фильтр, систему контроля коррозионного
шума и регулируемый фильтр.
28. Устройство по п.27, в котором упомянутая система контроля коррозионного шума дополнительно содержит электрод сравнения с высоким полным сопротивлением и осциллограф.
29. Устройство по п.27, в котором упомянутый регулируемый фильтр выбран из группы, состоящей
из регулируемых вручную фильтров и активных фильтров.
30. Устройство по п.27, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит полупроводниковые домены р-типа и n-типа.
31. Устройство по п.27, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход металл - полупроводник.
32. Устройство по п.27, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход
проводник второго рода - полупроводник.
33. Устройство по п.27, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход металл - полупроводник - проводник второго рода.
34. Устройство по п.27, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие содержит переход полупроводник - изолятор - полупроводник.
35. Устройство по п.27, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие представляет собой
покрытие из металла/оксида металла/силиката.
36. Устройство по п.35, в котором упомянутое покрытие из металла/оксида металла/силиката представляет собой покрытие из цинка/оксида цинка/силиката.
37. Устройство по п.36, в котором упомянутое покрытие из цинка/оксида цинка/силиката содержит
цинк в количестве 80-92 мас.% в расчете на сухое покрытие.
38. Устройство по п.37, в котором упомянутое покрытие из цинка/оксида цинка/силиката содержит
цинк в количестве 85-89 мас.% в расчете на сухое покрытие.
39. Устройство по п.35, в котором упомянутое покрытие из металла/оксида металла/силиката содержит металл, выбранный из группы, состоящей из Zn, Ti, Al, Ga, Ce, Mg, Ba и Cs, и соответствующий
оксид металла.
40. Устройство по п.39, в котором упомянутое покрытие из металла/оксида металла/силиката содержит смесь из одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Zn, Ti, Al, Ga, Ce, Mg,
Ba и Cs, и одного или более металлических оксидов, полученных из этих металлов.
41. Устройство по п.39, в котором упомянутое полупроводниковое покрытие дополнительно содержит одну или более легирующую примесь.
42. Устройство по п.27, в котором упомянутая проводящая поверхность представляет собой металлическую проводящую поверхность.
43. Устройство по п.42, в котором упомянутая металлическая проводящая поверхность содержит
металл, выбранный из группы, состоящей из черных металлов и проводящих цветных металлов.
44. Устройство по п.43, в котором упомянутый металл представляет собой сталь.
-8-
005986
45. Устройство по п.43, в котором упомянутый металл представляет собой алюминий.
46. Устройство по п.43, в котором упомянутый металл представляет собой нержавеющую сталь.
47. Устройство по п.43, в котором упомянутый металл представляет собой титан.
48. Устройство по п.27, в котором упомянутая проводящая поверхность представляет собой неметаллический проводящий материал.
49. Устройство по п.48, в котором упомянутый неметаллический проводящий материал представляет собой композиционный материал из углеродного волокна и эпоксидной смолы.
50. Устройство по п.48, в котором упомянутый неметаллический проводящий материал представляет собой композиционный материал из углеродных нанотрубок и эпоксидной смолы.
51. Устройство по п.48, в котором упомянутый неметаллический проводящий материал представляет собой проводящий углерод, внедренный в физиологически приемлемый полимер.
52. Способ предотвращения коррозии проводящей поверхности биомедицинского устройства, представляющего собой искусственный сустав или орган и контактирующего с коррозионной средой, включающий в себя а) нанесение на проводящую поверхность полупроводникового покрытия и подключение
электронного фильтра к покрытой проводящей структуре; b) контроль коррозионного шума, генерируемого покрытой проводящей структурой, и регулирование характеристик электронного фильтра для минимизации коррозионного шума, при этом упомянутая проводящая поверхность представляет собой поверхность, выполненную из материала, выбранного из группы, состоящей из нержавеющей стали, титана
и неметаллических проводящих материалов.
53. Биомедицинское устройство, представляющее собой искусственный сустав или орган, защищенное от коррозии и/или биологического загрязнения и содержащее на своей проводящей поверхности
полупроводниковое покрытие, при этом упомянутая проводящая поверхность представляет собой материал, выбранный из группы, состоящей из нержавеющей стали, титана и неметаллических проводящих
материалов; фиксированный электронный фильтр; систему контроля коррозионного шума и регулируемый фильтр.
Фиг. 1
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-9-