Politechnika Koszalińska
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 26

NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz PowerPoint PPT Presentation


  • 169 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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.

Download Presentation

NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Politechnika Koszalińska

Instytut Mechatroniki, Nanotechnologiii 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


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Plan referatu

Wprowadzenie.

Powłoki tribologiczne i powłoki z barierą cieplną:

  • konwencjonalne,

  • nanostrukturalne.

Próżniowo-plazmowe technologie osadzania powłok nanostrukturalnych:

  • rozpylanie magnetronowe,

  • odparowanie łukowe,

  • odparowanie wiązką elektronową.

Przykłady powłok nanostrukturalnych:

  • supersieci, nanolaminaty,

  • nanokomozyty,

  • nanostrukturalne bariery cieplne.

Wnioski.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Wprowadzenie

„Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, w których przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nmi które posiadają nowe własności wynikające z nanorozmiaru”[1]

Właściwości

Elementy struktury

  • twardość

  • właściwości sprężysto-plastyczne

  • odporność na zużycie

  • odporność na korozję

  • ziarna

  • wydzielenia

  • wbudowane cząstki

  • podpowłoki

  • pory

< 100 nm

[1]Nanonauka i Nanotechnologia – Narodowa Strategia dla Polski , Interdyscyplinarny Zespół do spraw Nanonauki i Nanotechnologii, Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Warszawa 2006.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Wprowadzenie

Wymiary charakterystyczne w ciałach stałych[2]

[2]M. J. Pitkethly, Nanomaterials – the driving force, Materials Today, 12, (2003).


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

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]

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)

[3]Tadeusz Burakowski, Tadeusz Wierzchoń, Inżynieria powierzchni metali, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki tribologiczne

Konwencjonalne

  • określona charakterystyka tarciowa (wysoki lub niski współczynnik tarcia),

  • wysoka odporność na zużycie ścierne (wysoka odporność korozyjna).

S. Hogmark et al.[4]

[4]StureHogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

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.[4]

HSS/TiN/TaN

[4]StureHogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki tribologiczne

Wieloskładnikowe (kompozytowe)

  • powłoki zbudowane z dwóch lub więcej elementów w formie ziaren, cząstek, włókien

S. Hogmark et al.[4]

[4]StureHogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki tribologiczne

Wieloskładnikowe (kompozytowe)

  • powłoki zbudowane z dwóch lub więcej elementów w formie ziaren, cząstek, włókien

A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5]

[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki tribologiczne

Nanokompozytowe

  • o wysokiej twardości i dużej odporności na obciążenia dynamiczne (wiązkości),

  • o charakterystykach tarciowych adaptujących się do zmiennych warunków eksploatacji (temperatury, wilgotności).

A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5]

[5]A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki tribologiczne

Nanokompozytowe

  • o wysokiej twardości i dużej odporności na obciążenia dynamiczne (wiązkości),

  • o charakterystykach tarciowych adaptujących się do zmiennych warunków eksploatacji (temperatury, wilgotności).

J. Patscheider[6]

[6]J. Patscheider, NanocompositeHardCoatings for WearProtection, MRS Bulletin, 28 (2003) 173.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

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. [7]

[7] Douglas E. Wolfe, JogenderSingh, Robert A. Miller, Jeff I. Eldridge, Dong-MingZhu, Tailored microstructure of EB-PVD 8YSZ thermal barrier coatingswith low thermal conductivity and high thermal reflectivity for turbineapplications, Surface & Coatings Technology 190 (2005) 132– 149.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki z barierą cieplną

Nanostrukturalne

  • nanokompozytowe warstwy BC, nanokrystaliczne warstwy YSZ,

  • nanokompozytowe i quasikrystaliczne warstwy przejściowe BC/YSZ.

B. Rapp[8]

–nanokrystaliczna ceramika YSZ, ZrO2-(La2O3, Gd2O5, Nd2O3),

– nanokompozytowe warstwy przejściowe Al2O3-YSZ

– nanokompozyty NiCoCrAlY-Al2O3,

– warstwy quasikrystaliczneAl-Cu-Fe

– warstwy BC: MCrAlY, NiAl-Hf, NiAl-Pt;

–nanokompozyty: BC-(TiAl, TiC, HfC, ZrC, TaC)

[8]B. Rapp, Coatings improve efficiency, Materials Today9 (2006)6.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Osadzanie powłok nanostrukturalnych

Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD)

  • faza stała  plazma (brak mikrocząstek),

  • niski stopień jonizacji

Rozpylanie magnetronowe

10 ms

Odparowanie łukowe

  • faza stała  faza ciekła  plazma (duża ilość mikrocząstek),

  • wysoki stopień jonizacji

21 μs

  • faza stała  faza ciekła  faza gazowa  plazma (mała ilość mikrocząstek),

  • konieczne układy jonizacji par,

  • bardzo duża szybkość osadzania

Odparowanie wiązkąelektronową


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Osadzanie powłok nanostrukturalnych

Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD)

10 ms

Odparowanie łukowe

10 μm

21 μs

A. Anders, AVS 53rd International Symposium & Exhibition


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Osadzanie powłok nanostrukturalnych

Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD)

A. Anders [9]

Filtry (separatory) elektromagnetyczne

10 ms

Odparowanie łukowe

plazma

21 μs

anoda

mikrocząstki

Filtry (separatory) elektrostatyczne

ekran

[9] A. Anders, Pulsed Metal Plasma, AVS 53rd International Symposium & Exhibition, November 12 -17, 2006, Moscone West Convention Center, San Francisco, CA.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty

Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany

K. Yamamoto [10]

[10] K. Yamamoto, S. Kujime, K. Takahara, Properties of nano-multilayered hard coatings deposited by a newhybrid coating process: Combined cathodic arc and unbalanced magnetron sputtering, Surface & Coatings Technology 200 (2005) 435 – 439.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty

Rozpylanie magnetronowe – magnetron niezbalansowany

M. Stueber[11]

HV 13,5 GPa

[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 metastablefcc phases and nanocomposite microstructures, Surf. Coat.Technol. 200 (2005) 435439.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty

Rozpylanie magnetronowe – magnetron niezbalansowany

M. Stueber[11]

1000C/4h

[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 metastablefcc phases and nanocomposite microstructures, Surf. Coat.Technol. 200 (2005) 435439.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki nanokompozytowe

Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany

A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[12]

WC/DLC/WS2

[12] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Nanocomposite and nanostructuredtribological materials for spaceapplications, Composites Science and Technology 65 (2005) 741–748.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki nanokompozytowe

Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany

A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5]

WS2

30%at. S

15%at. S

WC/DLC/WS2

[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Powłoki nanokompozytowe

Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany

A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5]

[5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Nanostrukturalne bariery cieplne

Odparowanie wiązką elektronową

J. Singh, D. E. Wolfe [13]

„shutter”

„in & out”

8YSZ

[13] J. Singh,, D. E. Wolfe, Review: Nano and macro-structuredcomponentfabrication by electronbeam-physicalvapordeposition (EB-PVD), Journal of Materials Science 40 (2005) 1– 26.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Nanostrukturalne bariery cieplne

Odparowanie wiązką elektronową

J.R. Nicholls[14]

7YSZ

[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.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

Nanostrukturalne bariery cieplne

Odparowanie wiązką elektronową

J. Singh, D. E. Wolfe [13]

8YSZ/Al2O3

(400nm/75-100nm)

[13] J. Singh,, D. E. Wolfe , Review: Nano and macro-structuredcomponentfabrication by electronbeam-physicalvapordeposition (EB-PVD), Journal of Materials Science 40 (2005) 1– 26.


Nanotechnologie w in ynierii powierzchni jan walkowicz

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.


  • Login