Zwilżalność i reaktywność ciekłego gadolinu w kontakcie z tlenkami Y2O3, ZrO2 i TiO2
Wettability and reactivity of liquid gadolinium in contact with Y2O3, ZrO2 and TiO2 oxides
Patrycja Turalska
Streszczenie
Rozwój technologii materiałów metalicznych, a zwłaszcza stopów złożonych ze składników o wysokiej reaktywności nierozerwalnie łączy się z poszukiwaniem nowych, ogniotrwałych materiałów ceramicznych umożliwiających prowadzenie procesów ich topienia oraz odlewania. Zapotrzebowanie na nowej generacji materiały ogniotrwałe odporne na agresywne działanie ciekłych stopów występuje także w szerokim zakresie wysokotemperaturowych badań wyznaczania termofizycznych właściwości materiałów, których znajomość jest niezbędna również z punktu widzenia praktycznych aspektów modelowania i symulacji komputerowej wielu procesów ciekło-fazowych. Przykład stanowią szeroko stosowane badania kalorymetryczne, dylatometryczne oraz termograwimetryczne. Cechą charakterystyczną tych badań jest stosunkowo długi czas kontaktu ciekłego metalu z materiałem pojemnika. Dlatego też niska stabilność chemiczna dostępnych materiałów ogniotrwałych stanowi przyczynę, która uniemożliwia wiarygodne wyznaczenie wielu istotnych dla praktyki charakterystyk materiałowych.
W dostępnej literaturze brak jest informacji na temat materiałów, które mogłyby być stosowane do topienia i badań termofizycznych właściwości gadolinu, a dla materiałów ogniotrwałych stosowanych do topienia i charakterystyki stopów zawierających gadolin, dane te są rozbieżne.
Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej było zatem przeprowadzenie systematycznych badań podstawowych wysokotemperaturowego oddziaływania ciekłego gadolinu z ceramikami tlenkowymi (TiO2, ZrO2, Y2O3) oraz analiza uzyskanych wyników i wyjaśnienie mechanizmów oddziaływania w układach ciekły Gd/tlenek pod kątem praktycznych aspektów doboru materiałów ogniotrwałych dla zastosowań w procesach ciekło-fazowych z udziałem ciekłego gadolinu.
Realizacja tego celu była możliwa poprzez wykonanie wysokotemperaturowych badań zwilżalności podłoży tlenkowych ciekłym gadolinem oraz przeprowadzenie szczegółowej analizy strukturalnej wytworzonych par materiałów Gd/tlenek pod kątem:
a) zjawiska zwilżania i infiltracji ciekłego metalu w głąb podłoży;
b) stabilności wyselekcjonowanych do badań ceramik w kontakcie z ciekłym Gd;
c) powstawania nowych faz i roztworów stałych na granicy rozdziału kropla/podłoże.
W oparciu o uzyskane wyniki badań materiałowych w połączeniu z przeprowadzoną analizą termodynamiczną sformułowano następujące wnioski:
1) Zarówno zwilżalność jak i reaktywność podłoży tlenkowych w kontakcie z ciekłym gadolinem wzrasta wraz ze wzrostem rozpuszczalności tlenków w ciekłym gadolinie w następującej kolejności: TiO2 -> ZrO2 -> Y2O3.
2) Badane układy Gd/tlenek wykazują powstawanie pozornie podobnej dwufazowej struktury strefy granicy rozdziału, pomimo że mechanizmy oddziaływania wysokotemperaturowego w tych układach są odmienne, w tym:
- w układzie Gd/Y2O3 ma miejsce zwilżalność reaktywna na skutek znacznego rozpuszczania podłoża ceramicznego w ciekłym metalu (dissolutive wetting), co skutkuje powstawaniem w podłożu głębokiego krateru, a w kropli od strony podłoża - obszaru o wysokim stopniu niejednorodności chemicznej, pozornie wyglądającego na dwufazową warstwę o ukierunkowanej strukturze;
- w układzie Gd/ZrO2 zwilżalność ma charakter reaktywny na skutek powstawania zwilżalnego i wykraczającego poza obrys kropli produktu reakcji (reactive wetting through reaction product mode), a pozornie dwuwarstwowa struktura strefy utworzonej pomiędzy Gd i podłożem YSZ stanowi tylko jedną fazę Gd2Zr2O7, przy czym od strony podłoża - powstałą na skutek bezpośredniej reakcji Gd z ZrO2, a od strony kropli - powstałą z ciekłej kropli roztworu Gd(Zr,O) podczas procesu chłodzenia;
- w układzie Gd/TiO2 dwie ciągłe warstwy na granicy rozdziału (Gd2TiO5 - od strony kropli oraz Gd2Ti2O7 - od strony podłoża) odpowiadają różnym fazom, powstałym na skutek reakcji chemicznych.
3) Zwilżalność reaktywna na skutek rozpuszczania podłoża ceramicznego w ciekłym metalu może stanowić wiodący mechanizm oddziaływania nie tylko w kontakcie ze związkami o charakterze metalicznym (borki, węgliki i azotki metali), ale również w układach metal-tlenek, co udowodniono na przykładzie układu Gd/Y2O3.
4) Obecność warstwy Gd2Zr2O7 na granicy kontaktu Gd/YSZ wpływa na kinetykę wysokotemperaturowego oddziaływania pomiędzy ciekłym metalem, a materiałem ogniotrwałym. Jej występowanie umożliwia prowadzenie badań właściwości stopów zawierających Gd metodami wymagającymi bezpośredniego kontaktu metalu (Gd i jego stopy) z ceramiką YSZ bez znacznego zanieczyszczenia stopu składnikami materiału ceramicznego.
5) Tworzenie się dwóch faz Gd2TiO5 oraz Gd2Ti2O7 w niezwilżalnym układzie Gd/TiO2 (θ=100°) dowodzi o jego reaktywności, a jednocześnie potwierdza tezę, że sama reakcja chemiczna oraz powstawanie na granicy rozdziału ciągłej i wykraczającej poza obrys kropli warstwy produktu reakcji nie są wystarczającymi warunkami do uzyskania zwilżalności w układzie. W tym przypadku decydującą rolę odgrywa niezwilżalna przez ciekły gadolin warstwa (Gd2TiO5) powstająca od strony kropli.
6) Brak zwilżania w układzie Gd/TiO2 w połączeniu z powstawaniem dwóch warstw produktów reakcji na granicy kontaktu tych materiałów, stanowiących naturalną barierę przed dalszym oddziaływaniem pomiędzy nimi, umożliwiają wykorzystanie tygli na bazie tlenku tytanu do topienia i badań gadolinu i jego stopów.
Abstract
A progress in technology of metallic materials, especially those containing highly reactive components, requires a careful selection of proper refractories for their melting and casting processing. Furthermore, there is a strong need for having suitable refractories for high temperature liquid state measurements of thermophysical properties of chemically aggressive materials. The most common experimental liquid-assisted techniques are calorimetry, dilatometry or thermogravimetry. A specific feature of these methods is a relatively long-term contact of a liquid material with container. What should be noted, experimentally established knowledge on materials behavior is crucial for the sake of conducting reliable computer modelling and simulations of various liquid-assisted processes. However, a low chemical stability of widely available refractories, very often makes it hard to correctly determine practically important materials characteristics.
In the current literature, there is a lack of reported data (or existed data are strongly contradicted) on selection of ceramic materials that are suitable for melting and examining of molten gadolinium.
Thus, the main goal of this PhD thesis was to systematically examine the high temperature interaction between molten Gd and oxide ceramics (TiO2, ZrO2, Y2O3), in order to elucidate involved reaction mechanisms and to give practical recommendations for a selection of refractories needed for a liquid-assisted processing of Gd.
To accomplish thesis goals, a series of high temperature wettability tests of Gd/oxides couples were performed, and then as-received couples were subjected to a detailed structural characterization, in order to analyze:
a) wetting and infiltration phenomena;
b) a stability of selected refractories in contact with molten Gd;
c) a formation of new phases and solid solutions at the drop/substrate interface.
Based on the received results of the materials characterization combined with performed thermodynamic assessment, the following conclusions, were drawn:
1) Both wettability and reactivity in Gd/oxide systems increase with rising the solubility of oxides in molten Gd, in the following order: TiO2 -> ZrO2 -> Y2O3.
2) Although the involved reactivity mechanisms in various couples are different, each examined Gd/oxide system is characterized by a presence of apparently similar dual phase structure of the interface zone. A domination of the following interaction mechanisms was recognized and documented:
a) In the Gd/Y2O3 system a reactive wetting assisted by substantial dissolution of oxide in molten Gd (so called dissolutive wetting), takes place. This phenomena results in the formation of deep crater in the substrate, while on the substrate side of drop - a chemically inhomogeneous area having an apparent appearance of dual phase, directionally ordered layer.
b) In the Gd/ZrO2 system the wettability is reactive in nature, due to the formation of wettable interfacial product exceeding the contour of Gd drop (i.e. a reactive wetting through reaction product mode). The apparently dual phase interfacial layer, in fact is made only of Gd2Zr2O7 phase that is formed in different modes: on the substrate side - due to a direct reaction between Gd and ZrO2, while on the drop side - as an effect of reprecipitation from liquid during cooling.
c) In the Gd/TiO2 system two continuous interfacial layers corresponds to different reactively formed phases: Gd2TiO5 on the drop side and Gd2Ti2O7 on the substrate side.
3) The dissolutive wetting might be a dominating mechanism of interaction not only in metal/(metallic-like compound) systems (e.g. metal/borides, metal/carbides or metal/nitrides), but also in metal/oxide couples, what was proven based on the example of Gd/Y2O3 system.
4) A presence of Gd2Zr2O7 layer at the Gd/YSZ interface affects the kinetics of high temperature interaction between the molten metal and a refractory. The formation of this layer makes it possible to directly examine thermophysical properties of Gd-containg alloys, without introducing adverse contaminants.
5) The formation of Gd2TiO5 and Gd2Ti2O7 phases in non-wettable Gd/TiO2 system (θ=100°) proofs its reactivity, and at the same time confirms that the chemical reaction itself (and the resulting interfacial product layer) is not a sufficient condition for receiving a good wetting. In the examined case, the key role is played by a non-wettable Gd2TiO5 layer formed on the drop side.
6) A lack of wettability in the Gd/TiO2 system combined with the formation of two layers of interfacial products, acting as a natural barrier for further interaction, allows using titania crucibles for melting and examining of gadolinium and gadolinium alloys.
Recenzja - Prof. A.Olszówka-Myalska
Recenzja - Prof. W. Przetakiewicz
Synteza i charakterystyka scyntylatorów kompozytowych stosowanych w pozytonowej tomografii emisyjnej
Synthesis and characterization of polystyrene scintillators and their application in positron emission tomography
Łukasz Kapłon
Streszczenie
Celem tej pracy było opracowanie scyntylatora polistyrenowego używanego w nowatorskim skanerze Jagiellońskiej Pozytonowej Emisyjnej Tomografii (J-PET) rozwijanym pod kątem obrazowania całego ciała. Aby osiągnąć ten cel, wyprodukowano i scharakteryzowano polimerowe scyntylatory oparte na polistyrenie z różnymi składami chemicznymi. Zmierzono spektroskopowe i optyczne właściwości tych polistyrenowych scyntylatorów. Struktura wyprodukowanych polimerowych scyntylatorów była zbadana z użyciem dwóch metod: proszkowej rentgenografii strukturalnej (PXRD) i skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC).
Przeprowadzono optymalizację warunków polimeryzacji styrenu do produkcji detektorów promieniowania gamma. Jako rezultat pracy przedstawionej w tej rozprawie doktorskiej zostały ustalone cykle czas-temperatura: (i) dla polimeryzacji
w małych cylindrach jak również (ii) dla polimeryzacji w szklanych formach pozwalających wyprodukować paski polimerowych scyntylatorów o dużych rozmiarach. Ta rozprawa doktorska zawiera także nową metodę opracowaną dla szybkiej kontroli jakości pasków polimerowych scyntylatorów. Opracowana metoda została pomyślnie zastosowana podczas budowy prototypu tomografu J-PET.
W celu opracowania najlepszej kompozycji dokonano pomiarów wydajności świetlnej, czasu zaniku sygnału, widma emisji i technicznej długości wygaszania światła. Pośród scyntylatorów polistyrenowych zsyntezowanych w ramach tej pracy doktorskiej ustalono, że:
(i) polistyrenowy scyntylator o składzie chemicznym 2% BPBD pierwszego dodatku i 0.06% POPOP przesuwacza długości fali posiada najlepsze właściwości czasowe z czasem zaniku sygnału 1.51 ± 0.02 ns, który jest porównywalny z czasami zaniku sygnału komercyjnych scyntylatorów np. dla BC-420 (1.5 ns), BC-404 (1.8 ns) i EJ-230 (1.5 ns) użytych w tomografie
J-PET;
(ii) polistyrenowy scyntylator o składzie chemicznym 2% PPO pierwszego dodatku oraz 0.03% bis-MSB i 0.03% POPOP przesuwaczy długości fali cechuje się najlepszą wartością wydajności świetlnej ponad 11200 wyemitowanych fotonów światła na megaelektronowolt (MeV) energii zdeponowanej, wydajność ta jest porównywalna z wydajnością świetlną komercyjnego scyntylatora BC-420 o wartości 10240 fotonów na MeV.
Abstract
The
aim of the thesis was to develop polystyrene scintillator for use in
the novel time of flight Jagiellonian Positron Emission Tomography
(J-PET) scanner being elaborated for the whole-body imaging. To achieve
this goal, polystyrene based plastic scintillators with the different
chemical compositions were produced and characterized. Spectroscopic and
optical properties of these polystyrene scintillators were measured.
Structure of manufactured plastic scintillators were studied using two
methods: powder X-ray diffraction (PXRD) and differential scanning
calorimetry (DSC).
Optimization of the conditions of styrene
polymerization for the production of gamma radiation detectors was
conducted. As a result of the work presented in this thesis the
time-temperature cycles were established: (i) for polymerization in
small cylinders as well as (ii) for polymerization in the glass mold
allowing to manufacture long plastic scintillator strips. This thesis
presents also a new method developed for the fast quality control of
plastic scintillator strips. The method was successfully applied during
J-PET prototype building.
Light output, decay time, emission spectra
and technical attenuation length were measured to develop best
composition of polystyrene scintillator. Among the polystyrene
scintillators synthesized in the framework of this thesis it was
established that:
(i) polystyrene scintillator with 2% BPBD primary solute and 0.06% POPOP wavelength shifter possess the best timing properties with decay time of 1.51 ± 0.02 ns that is in the range of the decay time of the best commercial scintillators as e.g. BC-420 (1.5 ns), BC-404 (1.8 ns) and EJ-230 (1.5 ns) used in the J-PET tomograph;
(ii) polystyrene scintillator with 2% PPO primary solute and 0.03% bis-MSB and 0.03% POPOP wavelength shifters is characterized by the best light output of over 11200 photons per megaelectronvolt (MeV) which is comparable with light output of BC-420 with value 10240 photons per MeV.
Wpływ dodatków stopowych na właściwości korozyjne bezołowiowych stopów lutowniczych na osnowie Sn-Zn
The influence of alloying elements on the corrosion properties of Sn-Zn lead-free solders
Marcin Grobelny
Streszczenie
Przez dziesiątki lat najczęściej stosowanymi lutowiami w przemyśle elektronicznym były stopy cynowo-ołowiowe na bazie układu Sn-Pb. Lutowia zapewniały płytkom drukowanym i elementom elektronicznym odpowiednie połączenie, zarówno pod względem mechanicznym jak i elektrycznym. Jednakże, zużyta elektronika stanowi ogromne zagrożenie dla środowiska i zdrowia ludzkiego, albowiem ołów zaliczany jest do neurotoksyn, czyli związków toksycznych wpływających w głównej mierze na układ nerwowy. Stosowane lutowia cynowo-ołowiowe musiały zostać zastąpione nowymi stopami lutowniczymi, o właściwościach nie gorszych od dotychczas stosowanych, ale o składzie chemicznym przyjaznym dla środowiska.
Obecnie najpowszechniej stosowane są stopy Sn-Ag-Cu (SAC). Stopy te względu na obecność srebra jako dodatku stopowego są stosunkowo drogim materiałem, a biorąc pod uwagę, iż mają one zastosowanie w urządzeniach elektronicznych powszechnego użytku i o bardzo krótkim okresie użytkowania, ekonomicznie uzasadnionym jest poszukiwanie tańszych stopów-zamienników o nie gorszych właściwościach użytkowych. Takie wymagania spełniają stopy na bazie układu Sn-Zn. Jednakże w literaturze przekazywany jest pogląd, iż lutowia Sn-Zn charakteryzują się niską odpornością korozyjną.
Celem pracy było przeprowadzenie badań porównawczych i określenie właściwości korozyjnych bezołowiowych stopów lutowniczych na bazie cyny, w tym komercyjnego stopu SAC305 (Sn-3Ag-0,5Cu) oraz grupy stopów zawierających różne ilości cynku. Do realizacji zadań badawczych zastosowano szereg metod eksperymentalnych, w tym: elektrochemiczne badania korozyjne technikami woltamperometrii oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, badania korozji galwanicznej, mikroskopie świetlną i skaningową mikroskopie elektronową oraz badanie odporności korozyjnej w atmosferze mgły solnej.
Przeprowadzone prace badawcze pozwalają na stwierdzenie, iż obecność i forma, w jakiej występuje cynk w lutowiach typu Sn-Zn oraz Sn-Zn-Cu ma decydujący wpływ na ich korozyjne parametry elektrochemiczne. Badania porównawcze stopów na bazie układu Sn-Zn oraz stopu SAC wykazały, iż dwuskładnikowe stopy Sn-Zn charakteryzują się wyższymi wartościami gęstości prądów korozyjnych w porównaniu do stopu SAC. Jednakże, dane literaturowe wskazują, iż różnica w gęstości prądu korozyjnego wynosząca około dwa rzędy wielkości jest różnicą akceptowalną. Z punktu widzenia korozyjnych właściwości lutowi, różnica taka jest nieistotną, a w związku z tym lutowia typu Sn-Zn oraz SAC charakteryzują się zbliżonymi właściwościami korozyjnymi.
W pracy przedstawiono również mechanizm procesów korozyjnych lutowi na bazie układu Sn-Zn oraz komercyjnego stopu SAC, z którego wynika, iż procesy korozji elektrochemicznej badanych stopów o osnowie cyny zawierające Zn składają się z dwóch procesów: utleniania cyny oraz utleniania cynku. Z przeprowadzonych badań wynika, iż to anodowe procesy z udziałem cynku determinują odporność korozyjną lutowi cynowo-cynkowych. Jednakże, proces taki przebiega tylko w specyficznych warunkach, tj. w warunkach niskiego pH, które w warunkach naturalnych użytkowania urządzeń elektronicznych nie występuje.
Abstract
For decades, tin-lead alloys based on the Sn-Pb system have been the most commonly used solders in the electronic industry. These solders ensured appropriate mechanical and electrical connection for the printed circuit boards and electronic components. However, the disused electronic components, present a huge threat to the environment and human health since lead is considered to belong to neurotoxins, i.e. toxic compounds that affect mainly the nervous system. Tin-lead solders used had to be replaced with new solders, with not worse properties, but with an environmentally friendly chemical composition. Currently, the most widely used are Sn-Ag-Cu (SAC) solder alloys. These alloys, due to the presence of silver, are a relatively expensive material and taking into account the fact that they are used in the common electronic devices of a very short service life, it is economically justified to look for cheaper alloys-substitutes with no worse useful properties.
Such requirements are met by alloys based on the Sn-Zn system. However, the literature gives the view that Sn-Zn solders have low corrosion resistance.
The aim of the work was to conduct comparative examinations and determine the corrosion properties of lead-free solder alloys based on tin, including the commercial SAC305 alloy (Sn-3Ag-0.5Cu) and the group of alloys containing various amounts of zinc. A number of experimental methods were used to carry out research tasks, including: electrochemical corrosion tests using voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, galvanic corrosion tests, light microscopy and scanning electron microscopy as well as corrosion resistance testing in salt spray test.
The experimental examination carried out lead to the conclusion that the presence and the form in which the zinc is present in Sn-Zn and Sn-Zn-Cu solders has a decisive influence on the electrochemical corrosion parameters. Comparative studies of alloys based on the Sn-Zn system and the SAC alloy have shown that the binary Sn-Zn alloys have higher values of corrosion current density compared to the SAC alloy. However, the literature data indicate that the difference in the corrosion current density of about two orders of magnitude is an acceptable difference. From the point of view of the corrosion properties of solders, this difference is irrelevant, and therefore the Sn-Zn and SAC type solders have similar corrosion properties.
The work also presents the mechanism of corrosion processes of Sn-Zn solders and SAC solders. Electrochemical corrosion processes of Sn-Zn alloys consist of two processes: tin oxidation and zinc oxidation. The research shows that anodic zinc oxidation processes determine the corrosion resistance of tin-zinc solders. However, such a process takes place only under specific conditions, i.e. under low pH conditions, which does not occur under natural conditions of use of electronic devices.
Opracowanie technologii mechanicznej syntezy wytwarzania kwazikryształów Al-Cu-Fe jako fazy wzmacniającej w kompozytach i ich charakteryzacja
Development of quasicrystalline Al-Cu-Fe phase formation by mechanical alloying as reinforcement in composites and their characterization.
Mikołaj Mitka
Streszczenie
Kompozyty na osnowie aluminium posiadają niską gęstość charakterystyczną dla stopów Al, przy jednoczesnym podwyższeniu właściwości mechanicznych spowodowanym obecnością wysokowytrzymałej fazy wzmacniającej. Wykorzystanie jako umocnienia kwazikryształów z układu Al-Cu-Fe jest obiecujące ze względu na ich wysoką twardość, wysoki moduł sprężystości, odporność na ścieranie i niską energię powierzchniową, jak również na dobre połączenie na granicy osnowa/cząstka spowodowane brakiem kruchych faz tlenkowych, które mogą się tworzyć w kompozytach ceramicznych.
Przedmiotem pracy doktorskiej było wytworzenie przy pomocy metalurgii proszków kompozytów na osnowie aluminium lub stopu aluminium serii 6000 wzmocnionych cząstkami kwazikrystaliczymi z układu Al-Cu-Fe oraz przeprowadzenie charakterystyki mikrostruktury i właściwości mechanicznych otrzymanych materiałów.
Cząstki Al-Cu-Fe w postaci proszku o wielkości około 30 µm uzyskano przy użyciu metody mechanicznej syntezy. Proces mechanicznej syntezy prowadzony był w wysokoenergetycznym młynie kulowym przy zastosowaniu zmiennych parametrów (prędkość obrotowa, czas mielenia oraz czynnik powierzchniowo czynny) w celu zweryfikowania ich wpływu na strukturę i morfologię wytworzonych proszków. W oparciu o wyniki badań strukturalnych (analiza rentgenowska, skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa) określono warunki mielenia prowadzące do wytworzenia jednofazowego stopu o strukturze ikosaedrycznej.
W następnym etapie wytworzono kompozyty na osnowie Al lub stopu 6061 zawierające 30 %obj. proszku Al65Cu20Fe15 mielonego 10 godzin z prędkością 350 obr./min. w obecności heksanu. Cząstki proszku zawierały ziarna fazy ikosaedrycznej o rozmiarach rzędu 10-50 nm. Zastosowano dwie metody konsolidacji proszków: spiekanie swobodne w różnych temperaturach i prasowanie na gorąco w próżni. Określono optymalne warunki spiekania swobodnego: ogrzewanie do temperatury 400-450 °C przez 30 minut. Prasowanie na gorąco w próżni prowadzono pod ciśnieniem 600 MPa w temperaturze 400 °C przez 10 minut.
Wykonano pełną charakterystykę mikrostruktury otrzymanych kompozytów, jak również określono ich właściwości mechaniczne (wytrzymałość na ściskanie oraz twardość). Wykazano, że podczas konsolidacji następuje częściowa lub całkowita przemiana fazy ikosaedrycznej w fazę krystaliczną fazę ω-Al7Cu2Fe o zbliżonych właściwościach mechanicznych. Związana z tym procesem zmian składu chemicznego prowadzi do wzrostu objętości fazy umacniającej, co prowadzi do zmniejszenia porowatości. Kompozyty na osnowie Al uzyskane przy użyciu obu metod, posiadały zbliżone właściwości mechaniczne (twardość 92-98 HV5, wytrzymałość na ściskanie 370-390 MPa, granicę plastyczności 230-240 MPa). Zastosowanie stopu 6061 jako osnowy spowodowało wzrost twardości do 150 HV5 oraz wytrzymałości do 465 MPa i granicy plastyczności do 430 MPa przy równoczesnym spadku plastyczności o ponad 50%.
Abstract
Aluminum Matrix Composites (AMCs) combine both low density, characteristic for Al-based alloys, and higher mechanical properties related with tough and hard reinforcement phase. Due to its properties, the quasicrystalline powder from Al-Cu-Fe ternary system is promising reinforcing phase in AMCs. Al-Cu-Fe icosahedral phase has good parameters like: high hardness, high Young modulus, low friction coefficient, low surface energy and good Al-Cu-Fe/Al interphase connection due to lack of brittle oxides, which could be observed in ceramic composites.
Main objective of doctoral thesis was to produce composites based on Al or its alloys reinforced by quasicrystalline particles from Al-Cu-Fe system and to investigate their microstructure and mechanical properties.
Al-Cu-Fe alloy particles in the form of powder with approximately size of 30 µm were prepared by mechanical alloying method using high-energy ball mill. During experiments variable parameters (milling speed, milling time and process control agent) were used to verify their influence on prepared powder structure and morphology. Based on results of structural investigations (XRD, SEM and TEM), milling parameters leading to icosahedral phase were established.
In the next step composites based on Al or 6061 alloy containing 30% vol. of Al65Cu20Fe15 powder milled at 350 rpm for 10h in the presence of hexane were prepared. Powder particles contained icosahedral grains with size of 10-50 nm. Two consolidation techniques were used: pressureless sintering and hot pressing in vacuum. Optimal sintering parameters for pressureless sintering: heating up to 400-450 °C for 30 minutes. Hot pressing was performed at temperature 400 °C and under pressure of 600 MPa for 10 minutes.
For prepared composites, microstructure characteristics and mechanical properties (hardness and compression tests) were performed. It has been shown, that during consolidation partial or full transformation of icosahedral phase into crystal ω-Al7Cu2Fe phase with similar mechanical properties took place. Composition changes related with this process led to growth of the reinforcement phase volume, which caused porosity reduction. Composites based on aluminum obtained by both methods had similar mechanical properties (92-98 HV5 hardness, 370-390 MPa compressive strength, yield strength 230-240 MPa). The use of 6061 alloy as the matrix led to increase of hardness up to 150 HV5 and compressive strength up to 465 MPa with 430 MPa yield strength and simultaneously reduction of plasticity over 50%.
Wpływ mikrostruktury nanokompozytowych powłok wielowarstwowych typu Cr/CrN+a:C-H na podłożu wzmacnianym włóknami węglowymi (Carbon Fibre Composite)
The influence of the microstructure of multilayer Cr/CrN + a:C-H coatings, deposited on substrate reinforced by carbon fibers (Carbon Fiber Composite), on their physico-chemical propertiesna ich właściwości fizyko-chemiczne
Marta Janusz
Streszczenie
Kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi (CFC) charakteryzują się wysoką wytrzymałością oraz niskim ciężarem właściwym, co sprawia, że są one szeroko wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak np.: medycyna, lotnictwo,
czy elektronika. Wadą tych materiałów jest fakt, że ulegają degradacji w podwyższonej temperaturze. Jednym z rozwiązań tego problemu jest osadzenie cienkich powłok ochronnych.
W ramach realizacji pracy, wielowarstwowe, nanokompozytowe powłoki osadzone zostały na powierzchnię CFC hybrydową techniką PLD, łącząca ablację laserową z rozpylaniem magnetronowym (ang. Hybrid Pulsed Laser Deposition). Powłoki składały się z dwóch części: z części wewnętrznej (pierwszej od podłoża) oraz zewnętrznej (mającej kontakt z otoczeniem). Część wewnętrzna została zbudowana z wielowarstwowej struktury naprzemiennie ułożonych warstw Cr/Cr2N. Jej rolą było zwiększenie jakości przylegania powłoki do podłoża oraz zmniejszenie naprężeń własnych w całym układzie. Część zewnętrzną stanowił amorficzny, uwodorniony węgiel (a-C:H) gradientowo implantowany nanocząstkami węglika chromu (Cr23C6). Część ta odpowiadała za zwiększenie właściwości mechanicznych oraz za odpowiednią biozgodność. Powłoki poddane zostały kompleksowej diagnostyce mechanicznej. Polegały one na przeprowadzeniu testów indentacyjnych, analiz na określenie siły przylegania powłoki do podłoża poprzez tzw. test na zarysowanie oraz testów odporności na zużycie w styku kula-tarcza. Testy przeprowadzono w temperaturze otoczenia oraz podwyższonej. Ze względu na potencjalne zastosowanie tego typu materiałów, tj. na narzędzia chirurgiczne, analizowano je również pod kątem właściwości biologicznych. Analizy polegały na określeniu jakości przylegania komórek eukariotycznych, cytotoksyczności, aktywacji układu krzepnięcia oraz odpowiedzi immunologicznej powierzchni. Powłoki przed i po testach mechanicznych oraz biologicznych poddane zostały kompleksowej charakterystyce mikrostrukturalnej przy wykorzystaniu dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (odpowiednio SEM i TEM). Preparatyka cienkich folii do obserwacji TEM przeprowadzona została za pomocą najnowocześniejszej techniki tzw. techniki FIB (zogniskowana wiązka jonów galu; ang. Focused Ion Beam) razem z mikromanipulatorem in-situ. Za pomocą tej metody uzyskano cienkie folie dokładnie z miejsca zainteresowania. Przeprowadzona kompleksowa charakterystyka umożliwiła wytworzenie materiałów o optymalnych bio-tribologicznych właściwościach. Uzyskane wyniki badań potwierdziły postawioną na początku pracy tezę: „Multidyscyplinarna charakterystyka wielowarstwowo- nanokompozytowych powłok ochronnych, pozwala na dobór optymalnych parametrów wytwarzania powłok na podłożu kompozytu wzmacnianego włóknami węglowymi".
Abstract
Carbon Fiber Composites (CFC) are lightweight materials of high strength, fatigue resistance and stiffness. CFC are widely used in various fields of industry, such as medicine, aircrafts or electronics. The disadvantage of these materials is fact that they degrade in elevated temperatures. One of the solution to this problem is to deposit protective coating on the composite surface. In the presented work, multilayer, nanocomposite, coatings were deposited on the CFC surfaces by the application of the hybrid PLD technique (Pulsed Laser Deposition supported by magnetron sputtering). Coatings consisted of two parts: the inner one (first from the substrate) and the outer one (having a contact with the environment). The inner part formed a chromium/chromium nitride (Cr/Cr2N) multilayer. Its role was to compensate residual stress throughout the total coating as well as to increase adhesion force to the substrate. The outer part was based on a hydrogenated, amorphous carbon (a-C:H), gradually implanted by nanoparticles of the chromium carbides (Cr23C6). This part was responsible for the mechanical properties increase and for the adequate biocompatibility. Coatings were subjected to the complex mechanical diagnostics. They were based on indentation, scratch adhesion and ball-on-disc wear tests. The tests were performed in ambient as well as in elevated temperatures. Due to the potential application of such kind of materials i.e. on surgical tools, the biological properties were characterized. The analysis were based on the adhesion quality of eukaryotic cells to coatings surfaces, cytotoxicity, activation of coagulation systemand on the immune response The microstructure of the as-deposited coatings as well as after mechanical and biological tests was analyzed using X-ray diffraction (XRD) as well as scanning and transmission electron microscopy techniques (SEM and TEM respectively). Thin foils for TEM observations were prepared using the newest preparation technique, so- called FIB technique (Focus Ion Beam) equipped with an in- situ lift- out system. It allowed to prepare foils directly from places of interest. Complex characterization allowed to produce materials with optimal bio-tribological properties. The obtained research results confirmed the hypothesis: "Multidisciplinary characterization of multilayer nanocomposite protective coatings allows for the selectionof optimum parameters for the production of coatingson substrate reinforced by carbon fibers".
Więcej artykułów…
Strona 8 z 14
<< Początek < Poprzednia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Następna > Ostatnie >>