Processing of NAnostructured MAterials through

Ewa BENKO
WYTWARZANIE NANOMATERIAŁÓW NA DRODZE
METASTABILNEJ TRANSFORMACJI
(Processing of NAnostructured MAterials
through MEtastable Transformations – Namamet)
Czas trwania 2004-2007
Planowany koszt udziału IOS w projekcie - 100 000 EU
Partnerzy współrealizujący projekt:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Politecnico di Torino, Turyn, Włochy
Consiglio Nazionale delle Ricerche, Institute for Energetics and Interphases,
Rzym, Włochy
Università di Cagliari, Cagliari, Włochy
Instituto de Ceramica y Vidrio, Madryt, Hiszpania
Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia e Innovaçao, Lizbona,
Portugalia
Universitat de Barcelona, Barcelona, Hiszpania
Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków, Polska
Technical University of Darmstadt, Darmstadt, Niemcy
Centre National de la Recherche Scientifique, Paryż, Francja
University of Hertfordshire, Hertfordshire, Wielka Brytania
Talleres Mecanicos Comas, Blanes, Hiszpania
Tecnologia e Engenharia de Materiais, Taveiro, Portugalia
•
Université de Technologie de Belfort Montbéliard, Belfort, Francja
•
•
•
Główną ideą realizowanego projektu
jest zastosowanie procesów metastabilnych (CS - synteza na drodze spalania,
SHS - samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa, APS - napylanie pod
ciśnieniem atmosferycznym, CQ - spalanie i szybkie chłodzenie, HiP – wysokociśnieniowe izostatyczne prasowanie, SPS
– synteza w łuku plazmy) do syntezy
i przetwarzania szerokiej gamy nanomateriałów na bazie ceramiki i metali.
Podstawowym celem projektu jest synteza materiałów o strukturze nano w postaci proszku, nanokompozytu, ale również powłok nanoszonych na podłoża
poprzez metastabilny wielofazowy proces
transformacji.
Wybrane składy fazowe układów nanokompozytów będą badane pod kątem
ich szerokich zastosowań technicznych
jako materiały konstrukcyjne, biomateriały, powłoki ochronne, materiały inteligentne, materiały nadplastyczne i inne.
Elastyczność, wszechstronność i kontrola
są nieodłącznym elementem procesów
metastabilnych przemian i pozwalają na
ścisłe monitorowanie i kontrolę składu
oraz mikrostruktury wytwarzanych tą
nową techniką wielofazowych materiałów
nanokompozytowych.
15
Podstawowe zadania realizowane
w ramach projektu:
• Rozwój procesu produkcji materiałów
o strukturze nano w formie proszku,
pokrycia i powłoki na drodze procesów metastabilnych.
• Ocena charakterystycznych właściwości fizyko-mechanicznych wytwarzanych proszków i powłok.
• Wykorzystanie zaawansowanych procesów technologicznych dla uzyskania
monolitycznych
materiałów
o strukturze nano na drodze metastabilnego zagęszczania nanoproszków .
• Ocena właściwości mechanicznych
materiałów monolitycznych, zwłaszcza przeznaczonych do stosowania
jako materiały nadplastyczne.
• Ocena rozwiniętych technologii i ocena perspektyw ich zastosowań oraz
wykorzystania w nauce i technice.
Na różnych etapach syntezy i przetwarzania materiały nanokompozytowe
będą badane z zastosowaniem odpowiednich technik elektro-optycznych,
z włączeniem metalografii, HREM – wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej, HRTEM – wysokorozdzielczej mikroskopii transmisyjnej, XRD - analizy
rentgenowskiej. Właściwości mechaniczne będą określane przez pomiar
twardości, modułu Younga i określenie
zdolności skrawnych. Instytut Zaawansowanych
Technologii
Wytwarzania
uczestniczy w realizacji wszystkich wymienionych zadań
Ze względu na swój zróżnicowany
skład fazowy proponowane w projekcie
składniki nanokompozytów mają zróżnicowaną strukturę, a w konsekwencji
różne właściwości, i realizują odmienne
funkcje. Materiały zbudowane z tych nanokompozytów mogą więc być wielofunkcyjne. Mając na uwadze różne techniki otrzymywania nanokompozytów,
powiązane ściśle z ich wielofunkcyjnością, należy stwierdzić, że istnieje możliwość ich równoległego wykorzystania dla
wielu aplikacji. Strategia ta ma zasadniczą przewagę nad tymi, które prowadziły
do produkcji homogenicznych, wielkoziarnistych materiałów.
Rola, jaką odgrywa faza nano w submikronowych ceramikach tlenkowych,
16
sprawia, że jej część staje się ciągliwa
w wysokich temperaturach i poprawiają
się jej wysokotemperaturowe właściwości
mechaniczne. W przypadku realizowanego projektu założenie projektowe nanokompozytów obejmuje otrzymywanie
układów kompozytowych z grupy materiałów ceramiczno-metalicznych, metaliczno-ceramicznych i metalowych.
Szczególnie interesujące wydają się
nanokompozyty ceramiczne, wykazujące
wzrost wytrzymałości mechanicznej sięgający 200%, powiązany ze wzrostem
odporności na pękanie i lepszą powtarzalnością wytrzymałości w wysokich
temperaturach. Ze względu na swoje
termo-mechaniczne właściwości nanokompozyty takie są doskonałymi kandydatami na materiały konstrukcyjne i narzędziowe.
Większość zaawansowanych materiałów nanokompozytowych może pracować w wysokiej temperaturze (powyżej
1500oC) bez ryzyka degradacji właściwości lub utlenienia. Mogą być zatem stosowane jako części silników samochodowych, turbin gazowych, katalitycznych
wymienników ciepła i układów spalania.
Stabilne w wysokich temperaturach, odporne na utlenianie i charakteryzujące się
dużą twardością ceramiczne nanokompozyty są z powodzeniem stosowane także
w samolotach i rakietach kosmicznych.
Korzyści płynące ze stosowania ceramicznych nanokompozytów związane są
nie tylko z mechaniczną wytrzymałością
materiału kompozytowego, ale także
z innymi właściwościami mechanicznymi, takimi jak odporność na pękanie,
twardość i odporność na pełzanie. Stopień poprawy tychże właściwości zależy
od użytych do ich wytwarzania układów
kompozytowych. Chociaż istnieją pewne
uogólnienia w mechanizmach zwiększania wytrzymałości na zginanie i ciągliwości w tych kompozytach, takie jak odchylenie pęknięcia i mostkowanie pęknięcia
przez nanocząstki, to jednak średni
rozmiar nanocząstek, ich udział objętościowy i ich homogeniczny rozkład silnie
wpływa na końcowy efekt, zwłaszcza przy
uwzględnieniu mechanicznych zachowań.
Stąd też różnorodność fazowa i technologiczna nanokompozytów otrzymywanych
w ramach realizowanego projektu.