Marek Kubica Uniwersytet Śląski Symulacja i

Marek Kubica
Uniwersytet Śląski
[email protected]
Symulacja i modelowanie nanostruktury warstwy Al2O3 otrzymywanej w elektrolitach
trójskładnikowych
Głównym celem badań jest otrzymanie nowych, zaawansowanych nanomateriałów
ceramicznych
i
kompozytowych
do
zastosowania
w
układach
mechatronicznych,
mechanicznych, tribologicznych części maszyn i urządzeń, optymalizację technologii
wytwarzania nanopowłok oraz poznanie mechanizmów ich powstawania, od których zależą
charakterystyki właściwości fizyko-mechanicznych i tribologicznych.
Elektrolityczne utlenianie stopów aluminium prowadzi do wytworzenia na ich powierzchni
nanowarstwy tlenkowej o grubości od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów odznaczającej
się znacznie wyższą twardością niż materiał wyjściowy. Dzięki tej modyfikacji, stopy
aluminium zyskują kolejną korzystną dla materiałów konstrukcyjnych cechę - odporność na
ścieranie. W ponad 80% awarie maszyn są spowodowane niewłaściwym stanem warstwy
wierzchniej współpracujących części, między innymi dlatego zainteresowano się anodowym
wytwarzaniem warstw powierzchniowych, które charakteryzują się niską ścieralnością
i wysoką adhezją i kohezją. Nanostruktura warstw tlenkowych otrzymywanych metodą
elektrochemiczną prowadzi do powstawania nanoporów warstwy Al2O3, co istotnie
warunkuje ich właściwości, w tym: odporność na zużycie, zdolność sorbowania substancji,
możliwości tworzenia się filmu ślizgowego z tworzywa sztucznego oraz podatność do
dalszych modyfikacji (np. metalem, grafitem, dwusiarczkiem molibdenu czy nanoproszkami).
Badania stanowiskowe są prowadzone na testerach tribologicznych dostępnych w katedrze
materiałoznawstwa UŚ. Trójwymiarowe bryły modeli skojarzeń tribologicznych utworzono
w programie typu CAD - SolidEdge ST4. Modele 3D zaimportowano do środowiska
Autodesk Multiphysics Simulations 2012 gdzie wykonano analizy z wykorzystaniem metody
elementów skończonych. W aplikacji komputerowej wprowadzono odpowiednie własności
mechaniczne dla badanego materiału przeciwpróbki (stop aluminium EN AW-5251),
wytworzonej na niej warstwy Al2O3 i materiałów próbek: PEEK/BG, TG15, TGK20/5
i TMP12. Przykładowe parametry techniczne testera RS2007: ruch posuwisto-zwrotny, styk
rozłożony płaszczyzna-płaszczyzna, nacisk jednostkowy na próbkę: 0,25 MPa, 0,5 MPa
i 1 MPa, przy średniej prędkości ślizgania 1m/s.
Wykonano analizy właściwości nanoceramicznych warstw powierzchniowych wytworzonej
warstwy tlenkowej Al2O3 na stopie aluminium EN AW-5251 w elektrolicie trójskładnikowym
(SFS) dla zmiennych czasów utleniania. Przeprowadzono badania nanostruktury powierzchni
i morfologii warstw Al2O3 na podstawie zdjęć z otrzymanych przy użyciu skaningowego
mikroskopu elektronowego. Komputerowa analiza obrazu zrealizowana została przy użyciu
programów Metilo i ImageJ. Opracowano metodykę, a także algorytm analizy zdjęć warstwy
tlenkowej w programach KAO. Badania przeprowadzono w celu poznania mechanizmów
tworzenia i wzrostu nanopowłoki.
Bielski Park Technologiczny Lotnictwa Przedsiębiorczości i Innowacji w projekcie:
”Inicjowanie innowacyjnych przedsięwzięć gospodarczych wykorzystujących potencjał
lotnictwa lekkiego” poszukuje innowacyjnych rozwiązań dla konstrukcji lotniczych
wykorzystujących super lekkie materiały kompozytowe. Proponowanym rozwiązaniem może
być próba zastosowania aluminium i jego stopów. W celu zmniejszenia możliwości
występowania oblodzeń elementów samolotu lub jego poszycia można zaproponować
wykorzystanie nowoczesnych metod anodowania i wytwarzania warstw tlenowych na jego
powierzchni. Użycie nanoceramicznej warstwy Al2O3 zmniejsza absorpcję wody i zwiększa
odporność samolotu na zabrudzenia. Wytworzona warstwa ma również bardzo dobre
właściwości antykorozyjne i możliwość zabarwienia uzyskując trwały kolor.
Nanoceramiczne warstwy tlenkowe testowane są w amortyzatorach celem uniknięcia
potrzeby środka smarującego, a także możliwości zastosowania w ich produkcji lekkich
stopów aluminium, co spowoduje zmniejszenie zużycia paliwa i emisji CO2 do atmosfery.
Firma
Prema
z
oddziałem
w
Katowicach
wykorzystuje
w
swoich
elementach
pneumatycznych cienkie nanowarstwy tlenkowe wytwarzane metodą anodowania w celu
wyeliminowania potrzeby stosowania środków smarujących w skojarzeniach, pomiędzy
którymi występują niekorzystne siły tarcia.
Przykładem firmy działającej na terenie województwa śląskiego, zajmującej się
wytwarzaniem nanowarstw na stopach aluminium jest Elbit, z którą została nawiązana
współpraca celem wdrożenia nauki do przemysłu i unowocześnienie metody wytwarzania
nanowarstw tlenkowych, a także poznania ich struktur i właściwości tribologicznych dla
różnego typu wytwarzania. Firma Elbit zajmuje się różnymi typami wytwarzania nanowarstw
poprzez anodowanie, dla uzyskania odpowiednich właściwości w zależności od żądań klienta.