nanotechnologie w inŻynierii powierzchni jan walkowicz
DESCRIPTION
Politechnika Koszalińska. Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej. NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz. Seminarium projektu nr POIG.01.03.01-00-052/08: „Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna” Koszalin, 06.08.2009. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
InstInstytutytut Mechatroni Mechatroniki,ki,NanotechnologNanotechnologiiii ii Techni Technik Próżniowychk Próżniowych
Politechnika Koszalińska
NANOTECHNOLOGIE NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNIW INŻYNIERII POWIERZCHNI
Jan WalkowiczJan Walkowicz
Instytut Mechatroniki, NanotechnologiiInstytut Mechatroniki, Nanotechnologiii Techniki Próżnioweji Techniki Próżniowej
Politechnika Politechnika KoszalińskaKoszalińska
Seminarium projektu nr POIG.01.03.01-00-052/08: „Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna”
Koszalin, 06.08.2009
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
5. Wnioski.
Plan referatu
2. Powłoki tribologiczne i powłoki z barierą cieplną:– konwencjonalne,– nanostrukturalne.
1. Wprowadzenie.
3. Próżniowo-plazmowe technologie osadzania powłok nanostrukturalnych:– rozpylanie magnetronowe,– odparowanie łukowe,– odparowanie wiązką elektronową.
4. Przykłady powłok nanostrukturalnych:– supersieci, nanolaminaty,– nanokomozyty,– nanostrukturalne bariery cieplne.
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Wprowadzenie
„Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur,
w których przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nmi które posiadają nowe własności wynikające z
nanorozmiaru”[1]
[1] Nanonauka i Nanotechnologia – Narodowa Strategia dla Polski , Interdyscyplinarny Zespół do spraw Nanonauki i Nanotechnologii, Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Warszawa 2006.
ziarna wydzielenia
wbudowane cząstki podpowłoki
pory
< 100 nm
twardość właściwości sprężysto-
plastyczne odporność na zużycie odporność na korozję
Elementy struktury Właściwości
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Wprowadzenie
Obszar/Dziedzina Właściwość/Zjawisko Wymiar/ZasięgRuch elektronów - długość fali de Broglie dla elektronów
- średnia droga swobodna przy zderzeniach niesprężystych
- średni rozmiar bariery potencjału
10 – 100 nm
1 – 100 nm
1 – 10 nmMagnetyzm - granica pomiędzy domenami (ścianka Blocha)
- droga odwrócenia spinu elektronu
10 – 100 nm
1 – 100 nm Zjawiska optyczne - szerokość studni potencjału
- droga tłumienia fali
- grubość warstwy naskórkowej w metalach
1 – 100 nm
10 – 100 nm
10 – 100 nm Nadprzewodnictwo - długość koherencji pary Coopera (pary elektronów
tworzących stan związany)
- głębokość penetracji Meisnera
0,1 – 100 nm
1 – 100 nm Mechanika - oddziaływanie dyslokacji
- średni rozmiar granic ziaren
- promienie wierzchołków pęknięć
- defekty zarodkowania/wzrostu
- pofałdowanie powierzchni
1 – 1000 nm
1 –10 nm
1 – 100 nm
0,1 – 10 nm
1 – 10 nm
Wymiary charakterystyczne w ciałach stałych[2]
[2] M. J. Pitkethly, Nanomaterials – the driving force, Materials Today, 12, (2003).
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Wprowadzenie
„Inżynieria powierzchni całokształt działań naukowych
i technicznych, mających na celu konstruowanie, wytwarzanie, badanie i stosowanie warstw
powierzchniowych o innych, lepszych niż rdzeń (podłoże) właściwościach głównie antykorozyjnych,
antyzmęczeniowych, antyściernych i dekoracyjnych”[3]
[3] Tadeusz Burakowski, Tadeusz Wierzchoń, Inżynieria powierzchni metali, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995.
Powłoki osadzane przy niskiej
temperaturze podłoża
(np. PAPVD, PACVD)
Powłoki osadzane przy wysokiej temperaturze
podłoża(np. natryskiwanie
cieplne)
Powłoki konwersyjne(np. mieszanie jonowe, ablacja
laserowa)
Warstwy dyfuzyjne(np. azotowanie,
implantacja jonowa, implantacja
zanurzeniowa)
Warstwy typu „duplex”
(np. azotowanie połączone z
osadzaniem powłok PAPVD
lub PACVD)
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki tribologiczne
Konwencjonalne
określona charakterystyka tarciowa (wysoki lub niski współczynnik tarcia), wysoka odporność na zużycie ścierne (wysoka odporność korozyjna).
S. Hogmark et al.S. Hogmark et al.[4]
[4] Sture Hogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki tribologiczne
Wielowarstwowe – supersieci
powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm podwyższona twardość i wiązkość, podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję.
S. Hogmark et al.S. Hogmark et al.[4]
[4] Sture Hogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.
HSS/TiN/TaNHSS/TiN/TaN
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki tribologiczne
Wieloskładnikowe (kompozytowe)
powłoki zbudowane z dwóch lub więcej elementów w formie ziaren, cząstek, włókien
S. Hogmark et al.S. Hogmark et al.[4]
[4] Sture Hogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki tribologiczne
Wieloskładnikowe (kompozytowe)
powłoki zbudowane z dwóch lub więcej elementów w formie ziaren, cząstek, włókien
[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.
A. A. Voevodin, A. A. Voevodin, J.S. Zabinski J.S. Zabinski [5]
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki tribologiczne
o wysokiej twardości i dużej odporności na obciążenia dynamiczne (wiązkości),
o charakterystykach tarciowych adaptujących się do zmiennych warunków eksploatacji (temperatury, wilgotności).
[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.
Nanokompozytowe
A. A. Voevodin, A. A. Voevodin, J.S. Zabinski J.S. Zabinski [5]
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki tribologiczne
[6] J. Patscheider, Nanocomposite Hard Coatings for Wear Protection, MRS Bulletin, 28 (2003) 173.
Nanokompozytowe
J. Patscheider J. Patscheider [6]
o wysokiej twardości i dużej odporności na obciążenia dynamiczne (wiązkości),
o charakterystykach tarciowych adaptujących się do zmiennych warunków eksploatacji (temperatury, wilgotności).
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki z barierą cieplną
Konwencjonalne
stopowa warstwa wiążąca (MeCrAlY, NiAl-Hf, NiAl-Pt), warstwa tlenku aluminium (warstwa zgorzeliny), ceramiczna bariera cieplna (YSZ; YSZ-La2O3, Gd2O5, Nd2O3).
D.E. Wolfe et al. D.E. Wolfe et al. [7]
[7] Douglas E. Wolfe, Jogender Singh, Robert A. Miller, Jeff I. Eldridge, Dong-Ming Zhu, Tailored microstructure of EB-PVD 8YSZ thermal barrier coatings with low thermal conductivity and high thermal reflectivity for turbine applications, Surface & Coatings Technology 190 (2005) 132– 149.
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki z barierą cieplną
Nanostrukturalne
nanokompozytowe warstwy BC, nanokrystaliczne warstwy YSZ, nanokompozytowe i quasikrystaliczne warstwy przejściowe BC/YSZ.
[8] B. Rapp, Coatings improve efficiency, Materials Today 9 (2006) 6.
B. RappB. Rapp [8]
– nanokrystaliczna ceramika YSZ,
ZrO2-(La2O3, Gd2O5, Nd2O3), – nanokompozytowe warstwy
przejściowe Al2O3-YSZ
– nanokrystaliczna ceramika YSZ,
ZrO2-(La2O3, Gd2O5, Nd2O3), – nanokompozytowe warstwy
przejściowe Al2O3-YSZ
– nanokompozyty NiCoCrAlY-Al2O3,
– warstwy quasikrystaliczneAl-Cu-Fe
– nanokompozyty NiCoCrAlY-Al2O3,
– warstwy quasikrystaliczneAl-Cu-Fe
– warstwy BC: MCrAlY, NiAl-Hf, NiAl-Pt;
– nanokompozyty: BC-(TiAl, TiC, HfC, ZrC, TaC)
– warstwy BC: MCrAlY, NiAl-Hf, NiAl-Pt;
– nanokompozyty: BC-(TiAl, TiC, HfC, ZrC, TaC)
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Osadzanie powłok nanostrukturalnych
Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD)
Rozpylanie magnetronowe
Odparowanie łukowe10 ms
21 μs
Odparowanie wiązkąelektronową
faza stała plazma (brak mikrocząstek),
niski stopień jonizacji
faza stała faza ciekła plazma (duża ilość mikrocząstek),
wysoki stopień jonizacji
faza stała faza ciekła faza gazowa plazma (mała ilość mikrocząstek),
konieczne układy jonizacji par, bardzo duża szybkość osadzania
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
10 μm
Osadzanie powłok nanostrukturalnych
Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD)
Odparowanie łukowe10 ms
21 μs
A. Anders, AVS 53rd International Symposium & Exhibition
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Osadzanie powłok nanostrukturalnych
Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD)
Odparowanie łukowe10 ms
21 μs
AA. . Anders Anders [9]
[9] A. Anders, Pulsed Metal Plasma, AVS 53rd International Symposium & Exhibition, November 12 -17, 2006, Moscone West Convention Center, San Francisco, CA.
Filtry (separatory) elektromagnetyczne
Filtry (separatory) elektrostatyczne
plazma
mikrocząstki
ekran
anoda
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty
Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany
KK. . Yamamoto Yamamoto [10]
[10] K. Yamamoto, S. Kujime, K. Takahara, Properties of nano-multilayered hard coatings deposited by a new hybrid coating process: Combined cathodic arc and unbalanced magnetron sputtering, Surface & Coatings Technology 200 (2005) 435 – 439.
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty
Rozpylanie magnetronowe – magnetron niezbalansowany
M. Stueber M. Stueber [11]
[11] M.Stueber, U.Albers, H.Leiste, S.Ulrich, H.Holleck, P.B.Barna, A.Kovacs, P.Hovsepian, I.Gee, Multifunctional nanolaminated PVD coatings in the system Ti–Al–N–C by combination of metastable fcc phases and nanocomposite microstructures, Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 435439.
HV 13,5 GPaHV 13,5 GPa
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty
Rozpylanie magnetronowe – magnetron niezbalansowany
M. Stueber M. Stueber [11]
[11] M.Stueber, U.Albers, H.Leiste, S.Ulrich, H.Holleck, P.B.Barna, A.Kovacs, P.Hovsepian, I.Gee, Multifunctional nanolaminated PVD coatings in the system Ti–Al–N–C by combination of metastable fcc phases and nanocomposite microstructures, Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 435439.
10001000C/4hC/4h
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki nanokompozytowe
A. A. Voevodin, A. A. Voevodin, J.S. Zabinski J.S. Zabinski [12]
[12] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Nanocomposite and nanostructured tribological materials for space applications, Composites Science and Technology 65 (2005) 741–748.
Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany
WC/DLC/WSWC/DLC/WS22
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki nanokompozytowe
[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.
A. A. Voevodin, A. A. Voevodin, J.S. Zabinski J.S. Zabinski [5]
Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany
WC/DLC/WSWC/DLC/WS22
15%at. S15%at. S 30%at. S30%at. S
WSWS22
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Powłoki nanokompozytowe
[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.
A. A. Voevodin, A. A. Voevodin, J.S. Zabinski J.S. Zabinski [5]
Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Nanostrukturalne bariery cieplne
Odparowanie wiązką elektronową
[13] J. Singh,, D. E. Wolfe, Review: Nano and macro-structured component fabrication by electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD), Journal of Materials Science 40 (2005) 1– 26.
J. Singh, J. Singh, D. E. Wolfe D. E. Wolfe [13]
„„in & out”in & out” „„shutter”shutter”
8YSZ8YSZ
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Nanostrukturalne bariery cieplne
Odparowanie wiązką elektronową
[14] J.R. Nicholls, K.J. Lawson, A. Johnstone, D.S. Rickerby, Methods to reduce the thermal conductivity of EB-PVD TBCs, Surface and Coatings Technology 151 –152 (2002) 383–391.
J.R. Nicholls J.R. Nicholls [14]
7YSZ7YSZ
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Nanostrukturalne bariery cieplne
Odparowanie wiązką elektronową
[13] J. Singh,, D. E. Wolfe , Review: Nano and macro-structured component fabrication by electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD), Journal of Materials Science 40 (2005) 1– 26.
J. Singh, J. Singh, D. E. Wolfe D. E. Wolfe [13]
8YSZ/Al8YSZ/Al22OO33
(400nm/75-100nm)(400nm/75-100nm)
Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej
Politechnika Koszalińska
Wnioski
Wykorzystanie powłokowych materiałów nanostrukturalnych umożliwia osiągnięcie mechanicznych i przeciwzużyciowych właściwości pokrywanych elementów nieosiągalnych przy zastosowaniu powłok konwencjonalnych
Próżniowo-plazmowe technologie PVD, zwłaszcza w procesach hybrydowych, umożliwiają praktyczne wykorzystanie szczególnych właściwości materiałów nanostrukturalnych
Praca została wykonana w ramach Projektu Rozwojowego nr UDA-POIG.01.03.01-32-052/08-00: „ Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna” realizowanego w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka POIG 2007-2013.