• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Innowacyjna technologia opracowana w WAT

    16.02.2010. 18:48
    opublikowane przez: Piotr aewski-Banaszak

    W Katedrze Zaawansowanych Materiałów i Technologii Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej trwają prace nad innowacyjnymi zastosowaniami cienkich taśm i folii wykonywanych według autorskiej technologii ze specjalnego stopu na osnowie fazy międzymetalicznej Ni3Al. Innowacyjność wynika stąd, że uzyskiwane taśmy i folie posiadają bardzo drobną, ultra-lub nawet nanokrystaliczną strukturę, a ich warstwa wierzchnia wykazuje szczególną aktywność względem otaczającego środowiska.

    Jak mówi kierujący pracami prof. Zbigniew Bojar, stopy na osnowie fazy międzymetalicznej Ni3Al należące, wśród innych intermetali do grupy nowoczesnych tworzyw konstrukcyjnych i wielofunkcyjnych cechują się, w odniesieniu do obecnie stosowanych nadstopów na bazie niklu, korzystnym, anomalnym wzrostem granicy plastyczności wraz z temperaturą. Mają one także dobrą odporność na zużywanie ścierne oraz doskonałą odporność na utlenianie, nawęglanie i inne formy korozji.

    "Ze względu na powyższe specjalne właściwości przewidywany jest m.in. znaczący udział tych tworzyw w postaci taśm w budowie małych układów o charakterze urządzeń mechatronicznych (urządzeń klasy MECS - Microtechnology-based Energy and Chemical Systems czy MEMS - Micro Electro-Mechanical Systems)" - mówi prof. Bojar.

    Te miniaturowe czujniki i siłowniki - o zewnętrznych wymiarach wyrażanych w mikrometrach, budowane z materiałów o elementach struktury mierzonych w nanometrach, już aktualnie znajdują powszechne zastosowanie jako elementy wykonawcze m.in. w układach bezpieczeństwa nowoczesnych pojazdów.

    "Jednakże - podkreśla prof. Bojar - główną przeszkodę na drodze przemysłowego wykorzystania tych stopów, zwłaszcza w formie taśm i folii, stanowi sam problem uzyskania tychże taśm i folii z tego szczególnego materiału, wynikający z jego małej plastyczność i skłonności do kruchego pękania, zwłaszcza w temperaturze pokojowej. Stąd intensywne prace prowadzone w wielu znanych światowych centrach materiałowych, mające na celu doskonalenie wytwarzania i przetwarzania stopów na osnowie Ni3Al. Wśród placówek prowadzących te badania od wielu lat znajduje się nasza uczelnia".

    Jak zaznacza naukowiec, technologia opracowana w WAT zapewnia uzyskiwanie unikatowej formy cienkich taśm mikro- i nanokrystalicznych na osnowie fazy Ni3Al w ilości ponad laboratoryjnej. Dzięki temu możliwe stało się efektywne przeprowadzenie w WAT różnorodnych prób właściwości użytkowych - od przydatności technologicznej do plastycznego kształtowania, obróbki ubytkowej i termicznego łączenia w małogabarytowe konstrukcje przestrzenne, aż po próby termicznie pobudzanej aktywności warstwy powierzchniowej taśm Ni3Al względem przyległej atmosfery, przy zachowaniu wysokiej stabilności składu chemicznego i fazowego oraz wielkości ziarna w tej strefie taśmy.

    Na tej podstawie, w grupie badawczej prof. Z. Bojara i dr P. Jóźwika, do której ostatnio dołączyli doktoranci: mgr M. Michalska-Domańska i mgr inż. W. Polkowski, opracowano ideę i potwierdzono możliwość wykorzystania taśm Ni3Al do usuwania z powietrza substancji chemicznych, m.in. acetonu, izooktanu oraz imitatorów bojowych środków trujących, za pomocą reakcji termo-katalitycznej na granicy warstwa wierzchnia taśmy - przepływająca atmosfera.

    "Wykazaliśmy, że zarówno efektywność bezpowrotnego rozkładu szkodliwych substancji chemicznych, jak i stabilność właściwości katalitycznych warstwy wierzchniej taśm Ni3Al są konkurencyjne dla dotychczas stosowanych rozwiązań, co stało się podstawą dla prowadzonych testów przedaplikacyjnych" - podkreślają członkowie zespołu badawczego.

    W cyklu badań efektywności katalitycznej warstwy wierzchniej taśm Ni3Al o różnym stanie mikro- i nanostruktury naukowcy z WAT-u wykazali także ich wysoką, konkurencyjną dla klasycznego katalizatora niklowego, aktywność, m.in. w procesie rozkładu węglowodorów gazowych w celu pozyskiwania wodoru dla ogniw paliwowych lub w procesie dopalania popiołów w elektrociepłowniach węglowych.

    "Szczególne właściwości stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Ni3Al zostały dostrzeżone także w elektronice. Stopy te posiadają na tyle wysoką zawartość aluminium, że zapewnione jest powstawanie na ich powierzchni ciągłej warstewki tlenku aluminium" - tłumaczy prof. Bojar.

    "Właściwości izolacyjne tej warstewki są zupełnie wystarczające do umieszczenia na niej elementów układu scalonego bez kontaktu z warstwą metaliczną. Z kolei większe przewodnictwo cieplne metalicznego podłoża Ni3Al pozwala na bardziej efektywne odprowadzenie ciepła, a w konsekwencji wyższą dopuszczalną temperaturę pracy układu i jego większą żywotność w stosunku do dotychczasowych rozwiązań" - dodaje.

    Badania stopów na osnowie fazy Ni3Al prowadzone są w Katedrze Zaawansowanych Materiałów i Technologii Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej od blisko dwudziestu lat.

    Prace dr. Pawła Jóźwika prowadzone pod kierunkiem prof. Zbigniewa Bojara doprowadziły do uzyskania uplastycznienia tych potencjalnie kruchych materiałów i opracowania technologii przetwarzania i kształtowania ich parametrów wytrzymałościowych. Legło to u podstaw technologii umożliwiającej m.in. uzyskiwanie taśm Ni3Al o grubości nawet poniżej 50 mm, o szerokim przedziale zmian wielkości fizycznego ziarna osnowy stopów (od mikro aż do poniżej 50nm) i o szerokim przedziale zmienności parametrów wytrzymałościowych.

    Technologia taśm intermetalicznych została nagrodzona na międzynarodowych wystawach wynalazczości w Brukseli i Gdańsku (2005r.). Otrzymała też dyplom Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za "Rozwój technologii stopów Ni-Al". Natomiast innowacyjne aplikacje cienkich mikro i nanokrystalicznych taśm Ni3Al związane z wykorzystaniem aktywności termo katalitycznej ich warstwy wierzchniej uzyskały złoty medal na 58. Światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik "Brussels INNOVA 2009".

    Źródło:
    PAP - Nauka w Polsce, Elżbieta Szumiec-Zielińska

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (ang. chemical vapour deposition) jest to jedna z metod obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu zwiększenia/zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału. Utwardzanie dyspersyjne (umacnianie dyspersyjne) – metoda zwiększania wytrzymałości stopów metali (np. twardości), zwłaszcza w podwyższonych temperaturach, przez wprowadzenie drobnych cząstek fazy nie rozpuszczalnej w osnowie (sieci krystalicznej głównego składnika), np. stabilnych tlenków. Cząstki fazy zdyspergowanej są wprowadzane metodami metalurgii proszków lub przez utlenianie wewnętrzne (np. wytwarzanie SiO2 lub Al2O3 w folii ze stopów miedzi z krzemem lub aluminium). Instytut Technik Innowacyjnych EMAG jest instytutem badawczym zajmującym się kompleksowym opracowywaniem a także wdrażaniem nowoczesnych urządzeń, systemów oraz technologii. Realizator prac naukowych, badawczo-rozwojowych, konstrukcyjnych i ekspertyz w zakresie elektrotechniki, automatyki przemysłowej, telekomunikacji, systemów monitorowania i urządzeń bezpieczeństwa, systemów sterowania procesami, informatyki technicznej, sieciowych systemów informacyjnych, racjonalnego użytkowania paliw i energii oraz ochrony środowiska. Ofertę EMAG-u uzupełniają: badania specjalistyczne, atestacyjne i certyfikacyjne przeprowadzane w Centrum Badań i Certyfikacji (m.in. w unikatowej Pracowni Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej) posiadającym akredytacje PCA, małoseryjna produkcja aparatury i urządzeń oraz usługi serwisowe. EMAG posiada własny ośrodek szkolenia oraz wydaje własne czasopismo naukowo-techniczne "Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa", poradniki, instrukcje i monografie. EMAG to lider wielu segmentów rynku - m.in. w zakresie aparatury i systemów bezpieczeństwa i monitorowania zagrożeń naturalnych, systemów automatyki kontroli parametrów jakościowych węgla. Misją i głównym celem Instytutu EMAG jest opracowywanie nowych innowacyjnych rozwiązań oraz doskonalenie istniejących urządzeń, technologii i systemów przyczyniających się do poprawy efektywności procesów produkcyjnych, wzrostu bezpieczeństwa pracy i jakości życia. Siedziba Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG mieści się w Katowicach.

    Nawęglanie – zabieg cieplny polegający na dyfuzyjnym nasyceniu węglem warstwy powierzchniowej obrabianego materiału. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe (do 0,25% zawartości węgla), by zmodyfikować własności warstwy wierzchniej materiału w dalszych fazach obróbki np. zwiększyć jej twardość, a co za tym idzie odporność na ścieranie, przy równoczesnym pozostawieniu miękkiego, elastycznego rdzenia stali niskowęglowej. Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 1–1,3%, a głębokość nawęglania wynosi najczęściej 0,5 do 2 mm. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD), z ang. Physical Vapour Deposition) – osadzanie powłoki z fazy gazowej przy wykorzystaniu zjawisk fizycznych. Mechanizm tworzenia powłoki opiera się na krystalizacji. Proces PVD prowadzony jest w warunkach wysokiej próżni, ze względu na zapewnienie odpowiednio długiej drogi swobodnej cząsteczce gazu. Gaz materiału osadzanego krystalizuje na podłożu, wiążąc się siłami adhezji. Z tego względu połączenie powłoka-podłoże ma charakter adhezyjny i zależy od czystości podłoża. Przed obróbką właściwą stosuje się chemiczne (zgrubne) i jonowe (dokładne) metody oczyszczania powierzchni. Technika PVD ma bardzo duży potencjał aplikacyjny głównie ze względu na niską temperaturę obróbki oraz zachowanie składu chemicznego materiału źródła. W procesie PVD osadzaniu powłoki nie towarzyszą żadne przemiany chemiczne, obserwuje się wyłącznie zmianę stanu skupienia wprowadzonej substancji. Mechanizm osadzania kontrolowany jest przede wszystkim poprzez dobór temperatury podłoża oraz ciśnienie i skład atmosfery reakcyjnej. Celem procesu jest wytworzenie cienkich warstw o ściśle kontrolowanym składzie modyfikujących fizyczne i chemiczne właściwości powierzchni.

    Obróbka plastyczna – metoda obróbki metali i ich stopów polegająca na wywieraniu narzędziem na obrabiany materiał nacisku przekraczającego granicę jego plastyczności, mającego na celu trwałą zmianę kształtu i wymiarów obrabianego przedmiotu, a także zmianę struktury powodująca zmianę właściwości. Proces kształtowania może przebiegać w warunkach: na gorąco, na półgorąco lub na zimno. Klasyfikacja ta zależy od temperatury rekrystalizacji (odkuwki) odkształcanego metalu, a także – precyzyjniej – od prędkości odkształcenia w odniesieniu do prędkości rekrystalizacji. Ze względu na sposób odkształcenia, rozróżnia się głównie: Stop metali (dawniej także: aliaż) – tworzywo o właściwościach metalicznych, w którego strukturze metal jest osnową, a poza nim występuje co najmniej jeden dodatkowy składnik, zwany dodatkiem stopowym. Dodatki są wprowadzane w celu poprawienia wytrzymałościowych właściwości materiału. Zwykle pogarszają plastyczność, przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne. Często zmniejszają również odporność na korozję.

    Synteza mechaniczna (MA z ang. mechanical alloying) – metoda otrzymywania stopów z proszków czystych metali w procesie mielenia w wysokoenergetycznych młynkach. Synteza mechaniczna jest powtarzającym się procesem zgrzewania, kruszenia (przełamywania) oraz ponownego zgrzewania. Podczas mielenia mikrostruktura proszków jest rozdrabniana i powstaje duża liczba defektów. Struktura materiału staje się niestabilna i stop może mieć postać roztworu stałego, fazy międzymetalicznej, mieszaniny składników lub materiału amorficznego. Badania materiałowe – interdyscyplinarny obszar badań naukowo-technicznych, w którym jest prowadzona analiza wpływu chemicznej i fizycznej struktury materiałów na ich właściwości elektryczne, mechaniczne, optyczne, powierzchniowe, chemiczne, magnetyczne i termiczne (także rozmaite kombinacje tych właściwości) oraz są opracowywane sposoby wytwarzania materiałów o pożądanych właściwościach.

    Badania materiałowe – interdyscyplinarny obszar badań naukowo-technicznych, w którym jest prowadzona analiza wpływu chemicznej i fizycznej struktury materiałów na ich właściwości elektryczne, mechaniczne, optyczne, powierzchniowe, chemiczne, magnetyczne i termiczne (także rozmaite kombinacje tych właściwości) oraz są opracowywane sposoby wytwarzania materiałów o pożądanych właściwościach.

    Lutowanie – metoda trwałego łączenia elementów metalowych za pomocą metalowego spoiwa zwanego lutem o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów. Proces lutowania należy prowadzić w temperaturze wyższej od temperatury topnienia lutu, lecz nie wyższej od temperatury topnienia łączonych elementów. Dzięki temu lut topi się, a łączone elementy pozostają cały czas w stanie stałym. Istotne jest, aby zarówno lut, jak i elementy lutowane, osiągnęły temperaturę lutowania (wyższą od temperatury topnienia lutu), w przeciwnym przypadku mogą powstać wadliwe złącza zwane zimnymi lutami lub zimnymi stykami, o niezadowalających właściwościach użytkowych. Podstawową różnicą między lutowaniem a spawaniem jest to, że w przypadku spawania temperatura procesu jest tak wysoka, aby stopić i materiał dodatkowy, i brzegi elementów spawanych.

    Konwersja – stosowane w technologii chemicznej określenie procesów jednostkowych, mających na celu zmianę właściwości przekształcanych materiałów w wyniku różnych reakcji chemicznych, prowadzonych w aparatach zwanych konwertorami (zwykle w wysokiej temperaturze, pod wysokim ciśnieniem lub z użyciem katalizatorów). W czasie konwersji zachodzą różne reakcje chemiczne, np.: Stopy magnezu – stopy, w których głównym składnikiem jest magnez. Stopy te cechuje niewielki ciężar właściwy (ok. 30% mniejszy w stosunku do stopów aluminium) i duża wytrzymałość mechaniczna. Te właściwości przesądzają o zastosowaniu tych materiałów w różnych dziedzinach przemysłu, takich jak: samochodowy (kierownice, obudowy manualnych skrzyń biegów,bloków silników), lotniczy, produkcja wózków inwalidzkich, sprzętu sportowego, jak i obudów, np. aparatów fotograficznych. Do wad należą konieczność stosowania inhibitorów podczas produkcji wyrobów (CO2, SF6, SO2 i inne) ze względu na gwałtowne reagowanie płynnego Mg z tlenem oraz niewielka odporność na korozję.

    Azotowanie – obróbka cieplno-chemiczna stopów żelaza polegająca na dyfuzyjnym nasyceniu powierzchni metalu azotem. W efekcie azotowania tworzy się warstwa wierzchnia, której struktura i skład fazowy zależy od temperatury, czasu, składu chemicznego przedmiotu i atmosfery. Azotowaniu poddaje się materiały o specjalnie dobranym składzie chemicznym. W przypadku stali, są to stale do azotowania. Zawierają dodatek pierwiastków azotkotwórczych Cr, V lub Mo. Azotowanie stosuję się w celu podwyższenia właściwości tribologicznych lub odporności na korozję. Wdrażanie technologii – etap działalności naukowo-technicznej, w którym efekty pracy naukowej w obszarze nauk podstawowych i stosowanych, w tym ściśle ukierunkowanych na osiągnięcie celów praktycznych prac badawczo-rozwojowych, są realizowane w praktyce, np. przez uruchomienie nowych technologii lub modyfikacje technologii istniejących.

    Cięcie plazmowe - proces cięcia metali (stali, stopów aluminium, stopów miedzi itp.) przy zastosowaniu łuku plazmowego. Cięcie plazmowe prowadzone jest w sposób zmechanizowany lub ręczny. Procesy cięcia zmechanizowanego dotyczą głównie cięcia przy zastosowaniu przecinarek CNC lub robotów przemysłowych. Źródłem ciepła topiącym metal jest łuk plazmowy jarzący się między elektrodą a materiałem obrabianym. Wodorowe zużycie metalu – zjawisko łuszczenia się współpracujących powierzchni metali na skutek wnikania w wysokiej temperaturze wodoru w strukturę tych powierzchni. Prowadzi to do nieodwracalnych zmian, które zdecydowanie przyśpieszają proces niszczenia metali. Efektem jest zniszczenie warstwy wierzchniej oraz tzw. zmęczenie materiału.

    Dodano: 16.02.2010. 18:48  


    Najnowsze