26
NANOTECHNOLOGIE NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz Jan Walkowicz Instytut Mechatroniki, Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii Nanotechnologii i Techniki Próżniowej i Techniki Próżniowej Politechnika Politechnika Koszalińska Koszalińska Seminarium projektu nr POIG.01.03.01-00-052/08: „Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna” Koszalin, 06.08.2009

NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

  • Upload
    molimo

  • View
    73

  • Download
    0

Embed Size (px)

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 Presentation

Citation preview

Page 1: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 2: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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.

Page 3: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 4: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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).

Page 5: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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)

Page 6: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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.

Page 7: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 8: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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.

Page 9: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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]

Page 10: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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]

Page 11: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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).

Page 12: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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.

Page 13: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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)

Page 14: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 15: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 16: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 17: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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.

Page 18: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 19: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 20: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 21: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 22: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 23: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 24: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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

Page 25: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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)

Page 26: NANOTECHNOLOGIE  W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

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.