Priorytetowe Kierunki Badań w IMIM PAN

Priorytet I: Materiały i technologie przyjazne dla środowiska

Temat 1. Nowe ekologiczne stopy lutownicze

Problem badawczy: Zaawansowane materiały lutownicze do specjalnych zastosowań

Kierownik: Doc. dr hab. Leszek Zabdyr

Dotychczasowe osiągnięcia w tematyce lutowi bezołowiowych wskazują na potrzebę jej kontynuacji, tym bardziej, że znalazła swoje odzwierciedlenie w nowym projekcie europejskim COST Action MP 0602, do którego Instytut został zaproszony w charakterze ekspertów – założycieli. Obiektem badań będą materiały sugerowane w Liście Intencyjnym Akcji, a mianowicie:

- stopy na bazie eutektyki Ag-Bi;

- stopy do zastosowań specjalnych na bazie Au-Sn.

Pierwsza kategoria stopów to materiały o temperaturze topnienia w przedziale 250 – 350 ^oC do zastosowań głównie w przemyśle motoryzacyjnym, a druga kategoria to lutowia do specjalnych zastosowań np.: w mikroelektronice, w zastosowaniach biomedycznych.

Badania prowadzone będą w trzech obszarach:

· badania podstawowe właściwości fizykochemicznych;

· charakterystyka strukturalna;

· analizą możliwości otrzymywania wyżej wymienionych stopów lutowniczych i warstw stopowych metodą elektrolityczną z wykorzystaniem kompleksowych roztworów wodnych;

· oddziaływanie ze środowiskiem naturalnym.

Badania podstawowe to wyznaczenie własności termodynamicznych i fizykochemicznych badanych stopów różnymi metodami eksperymentalnymi, optymalizacja i obliczenie diagramów fazowych techniką CALPHAD oraz podanie parametrów wyjściowych: składu chemicznego i temperatury topnienia do przygotowania materiałów do dalszych badań. Badanie charakterystyki materiału spoin ma na celu określenie strukturalnych cech materiału spoiny i ich wpływu na jakość połączenia. Badania oddziaływania materiału lutowia ze środowiskiem mają na celu wyjaśnienie czy oddziaływanie to powoduje jego degradację (korozję), w jakim stopniu i czy produkty tego oddziaływania nie wpływają negatywnie na środowisko. Własności chemiczne badanych materiałów będą również badane w kontekście ich ewentualnego odzysku (np. stopy złota).

Jak wspomniano, temat ten osadzony będzie w programie COST MP 0602. Jego rozwinięciem są wspólne projekty badawcze z Instytutem Tele-Radiotechnicznym z Warszawy oraz Instytutem Metali Nieżelaznych w Gliwicach. Obie jednostki naukowe współuczestniczą w tzw. badaniach wspólnych w ramach sieci koordynowanych Przez IMIM PAN (sieć: Zaawansowane materiały lutownicze). Problematyka lutowi bezołowiowych realizowana jest również w ścisłym kontakcie z przemysłem w postaci projektu badawczo-rozwojowego mającego za cel uruchomienie linii produkcyjnej lutowi bezołowiowych w firmie Fideltronik SA.

Temat 2: Krzemowe ogniwa słoneczne- wytwarzanie i charakterystyka użytkowa

Problem badawczy: Inżynieria defektów w krzemie krystalicznym oraz tylnej powierzchni ogniwa
Kierownik: Prof. dr hab. inż. Paweł Zięba

Nowym trendem w badaniach i realizowanej technologii wytwarzania krystalicznych, krzemowych ogniw słonecznych jest osiąganie jak najwyższego współczynnika konwersji fotowoltaicznej przy minimalizacji grubości płytki krystalicznej. W tym nowym trendzie następuje wyraźne ukierunkowanie na prace badawcze dotyczące inżynierii tylnego kontaktu ogniwa i w tym obszarze poszukiwania rozwiązań pozwalających na dalsze podnoszenie sprawności. Jednym z rozwiązań jest pasywacja tylnej powierzchni ogniwa z wymuszonym jednocześnie wytwarzaniem tylnych kontaktów punktowych. Powyższe zadanie można realizować na kilka sposobów. Jednym z nich jest zastosowanie jako warstwy pasywacyjnej krzemu amorficznego (a-Si) umożliwiającego redukcję prędkości rekombinacji powierzchniowej na tylnej powierzchii.

Z punktu widzenia producentów ogniw, warstwa a-Si może być zastąpiona przez warstwy możliwe do nanoszenia w sposób wielkoseryjny jak chociażby SiN:H czy SiO₂. Warstwy te pasywują tylną powierzchnię ogniwa zapewniając jednocześnie uniknięcie degradacji rezystancji równoległej pomiędzy krzemem masywnym typu p a obszarem p⁺ dla punktowo wytworzonego BSF-u. Procesy pasywacyjne tylnej powierzchni można także zastosować stosując technikę sitodruku z siatkowym pokryciem warstwy metalicznej na tylnej powierzchni.

Problematyka badawcza obejmowałaby analizę wpływu wymienionych warstw pasywacyjnych zastosowanych na tylnej powierzchni ogniwa na jego charakterystykę kwantową w zakresie długofalowym promieniowania powyżej 900 nm, możliwości pasywacji granic ziaren a także implikacje na charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa w tym szczególnie na napięcie obwodu otwartego, współczynnik wypełnienia i rezystancję szeregową i równoległą. Niezbędne byłoby także wykorzystanie SEM do badań morfologii struktury kontaktów a także TEM do badania samego obszaru BSF i jego fazy granicznej z warstwą Al. Zastosowanie takich metod jak SIMS czy LBIC byłoby także jak najbardziej wskazane. W procesie wykonywania kontaktów punktowych niezwykle interesującym zagadnieniem byłoby także wykorzystanie posiadanych piecy IR.

Tematyka proponowanych prac statutowych nie tylko pokrywa się z najnowszymi trendami w dziedzinie krystalicznych, krzemowych ogniw słonecznych ale także otwiera nowe kierunki badawcze jak chociażby problematykę interakcji pomiędzy warstwą aluminium, krzemem krystalicznym, a rozdzielającą ich cienką warstwą dielektryka. Badania nad tymi zagadnieniami zostały już rozpoczęte w ramach kontaktów z Laboratorium PHASE-CNRS, Strasbourg oraz LPM INSA-Lyon oraz zadań wynikających w uczestnictwie w sieci EKOENERGIA w pakiecie „Procedury diagnozowania procesu destrukcji mikrostruktury elementów konstrukcyjnych w układach energii odnawialnej” oraz „Prace koncepcyjne w zakresie poszukiwania nowego ekologicznego ogniwa elektrycznego wykorzystującego teksturę krystalograficzną”.

Realizacja postawionych celów jest także związana z rozwojem metod badawczych w celu charakteryzacji materiału bazowego - krzemu krystalicznego przed i po różnych obróbkach takich jak pasywacja, geterowanie. We współpracy z Uniwersytetem w Czerniowcach (Ukraina) będą rozwijane metody wysokorozdzielczej dyfrakcji rentgenowskiej i ich zastosowanie w diagnostyce strukturalnej materiałów zdefektowanych i wielowarstwowych. Główny wysiłek prowadzonych badań będzie skierowany na określenie typu defektów, ich rozmiarów, gęstości i rozkładu w materiałach zdefektowanych. We współpracy z Instytutem Technologii Elektronowej (w Warszawie) będą natomiast przeprowadzane badania procesów rekombinacyjnych poprzez wyznaczenie czasu życia nadmiarowowych nośników ładunku, szybkości rekombinacji powierzchniowej oraz parametrów defektów rekombinacyjnych (koncentracji, energii aktywacji,, przekrojów czynnych na wychwyt dziur i elektronów) związanych z zanieczyszczeniami metalami, występowaniem granic ziaren i defektów liniowych. Skuteczność zastosowanych procedur technologicznych będzie oceniona na podstawie pomiarów i analizy niejednorodności własności materiałów.

Celem strategicznym jest doprowadzenie do rozpoczęcia produkcji ogniw słonecznych w kraju. Prowadzone są bardzo zaawansowane wspólne działania z Wojskowym Instytutem Techniki Inżynieryjnej (potencjalnym odbiorcą) oraz firmą WATT-systemy solarne (potencjalnym producentem). Wykorzystywane są efekty aktualnie realizowanego projektu zamawianego pt. „Projektowanie i opracowanie technologii wytwarzania funkcjonalnych materiałów gradientowych do zastosowań w fotonice i ogniwach paliwowych” wynikające z opracowania technologii nanoszenia gradientowych warstw antyrefleksyjnych. Drugim celem strategicznym jest upowszechnianie wiedzy i edukacja na temat możliwości pozyskiwania energii słonecznej i zastosowań aktualnie istniejących przetworników tej energii na energię elektryczną i cieplną, poprzez utworzenie na terenie Laboratorium Foltowoltaicznego Centrum edukacyjno naukowo demonstracyjne energii słonecznej.

Temat 3: Nowe materiały biomedyczne

Kierownik: Prof. dr hab. inż. Bogusław Major

Problem badawczy: Materiały biomedyczne do kontaktu z krwią

Aktualnie inżynieria materiałowa znajduje coraz szersze zastosowanie w biologii molekularnej i biotechnologii. Działalność związana jest wytwarzaniem powłok o podwyższonej biozgodności z wykorzystaniem nowoczesnych technologii inżynierii powierzchni. W IMIM PAN proce realizowane są w aspekcie wykorzystania technologii laserowych, rozszerzonych o metody hybrydowe w wytwarzania powłok.

Planowane jest skoncentrowanie się na wyjaśnieniu zjawisk zachodzących na kontakcie tkanka–sztuczna powierzchnia. Zaplanowano i podjęto już wykonanie odpowiedniego układu do badania kinetyki przylegania komórek do powierzchni materiałów warstwowych wykonanych wysokowyspecjalizowana techniką laserową (metoda PLD). Badania prowadzone są w oparciu o analizę obrazów fluorescencyjnych i konfokalnych po kontakcie ciekłego medium z komórkami naniesionymi na powierzchnie z różnych materiałów o zróżnicowanej morfologii.

Początkowo jako komórki modelowe używane są wolno żyjące komórki amebowe Dictyostelium discoideum. Przed przeprowadzeniem eksperymentu kinetycznego, kształt komórek sprowadza się do postaci liposomów za pomocą odpowiednich mediatorów działających na cytoszkielet komórki. W oparciu o obrazy fluorescencyjne następuje zliczanie komórek zadherowanych po próbie poddania ich warunkom dynamicznym. Na podstawie ilości komórek, liczone są naprężenia ścinające. Warunki kinetyczne wpływają degradująco na strukturę organizmu żywego. Mikroskopia konfokalna umożliwia dokładną diagnostykę zmian struktury komórek pod wpływem naprężeń ścinających. Bardzo istotne są zjawiska agregacji komórek i powstające siły ścinające podczas przepływu krwi. Kolejnym etapem badań będzie określenie mechanizmu agregacji elementów morfotycznych krwi (płytek) do sztucznych powierzchni wprowadzanych do organizmu pacjenta. Negatywnym zjawiskiem zachodzącym po wszczepieniu implantu jest formowanie skrzepliny i zwapniałej warstwy (kalcynacja). Zostanie podjęta próba wyjaśnienia tego typu zjawisk.

Planowany jest zakup mikroskopu fluorescencyjno-konfokalnego, co umożliwiłoby wykonanie badań w IMIM-PAN i fenomenologicznego opisu zachowania biomateriału w rzeczywistych warunkach kinetycznych, a docelowo w kontakcie z elementami morfotycznymi krwi.

Problematyka realizowana jest obecnie w oparciu o współpracę naukową z Laboratorium Biofizyki Politechniki w Grenoble we Francji. Partnerem krajowym w realizacji badań będzie Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Jej rozwinięciem jest udział w przygotowaniu wspólnego projektu zamawianego „Polskie sztuczne serce”, którego celem jest opracowanie i wdrożenie do praktyki medycznej układu wspomagania serca.

Problem badawczy: Implanty kostne

Bioceramika hydroksyapatytowa z uwagi na swoje chemiczne i mineralogiczne podobieństwo do substancji nieorganicznej kości i zębów, nie wykazuje po zaimplantowaniu żadnych efektów cytotoksycznych ani rakotwórczych. Odznacza się również dużą biozgodnością, dzięki czemu może łączyć się bezpośrednio z kością. Wiele badań klinicznych potwierdziło pełną biotolerancję oraz korzystne działanie hydroksyapatytu (HAp) w procesach odbudowy kości. Korzystne właściwości HAp pozwalają wykorzystać ten biomateriał w implantologii tkanki kostnej przy uzupełnianiu ubytków kostnych oraz w chirurgii stomatologicznej i periodontologii.

Z punktu widzenia zastosowań ceramiki HAp istotnymi właściwościami są morfologia, topografia, skład powierzchni, rozmiar porów (w przypadku materiałów porowatych) oraz zdolność tkanek do wzrostu na powierzchni biomateriału. Do badań tego rodzaju właściwości z dużym powodzeniem wykorzystywany jest skaningowy mikroskop elektronowy ze zmienną próżnią (ESEM), w którym istnieje możliwość obserwacji biomateriału bez konieczności pokrywania go warstwą przewodzącą.

W ramach dotychczasowej działalności badawczej, prowadzonej we współpracy z Wydziałem Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego wykonano analizy różnego typu materiałów hydroksyapatytowych i ich oddziaływań z materiałem biologicznym. Wykonano testy biozgodności szeregu bioceramicznych materiałów hydroksyapatytowych. Testy objęły hodowlę linii komórkowych CAL-72 na następujących podłożach bioceramicznych: HAp pochodzenia naturalnego, syntetyczny HAp oraz komercyjny biomateriał hydroksyapatytowy.

Celem badań było określenie zdolności wzrostu komórek na nośnikach z HAp, a zwłaszcza zdolności wzrostu komórek wewnątrz porów biomateriału. Określano również wpływ warunków procesu wytwarzania naturalnego HAp na wzrost komórek na tego rodzaju podłożu. Jako kolejny etap badań zaplanowano określenie sposobu narastania hydroksyapatytu na podłożach bioceramicznych. Celem badań jest określenie zależności pomiędzy krystalitami HAp narastającymi na zróżnicowanych podłożach ceramicznych a następnie, na tej podstawie, sformułowanie zasad zarodkowania i narastania tkanki kostnej. Jako podłoże zaplanowano wykorzystanie takich materiałów jak m.in.: HAp pochodzenia naturalnego, HAp syntetyczny, HAp domieszkowany węglem oraz kompozytu HAp + bioszkło.

Możliwość modyfikowania składu chemicznego podłoża, poprzez wprowadzanie domieszek innych pierwiastków, jak również dobór metody oraz warunków otrzymywania i spiekania materiałów ceramicznych ma istotny wpływ na sposób narastania krystalitów HAp. Badania takie prowadzi się już od pewnego czasu we współpracy z Katedrą Ceramiki Specjalnej AGH i Wydziałem Biotechnologii UJ. Stosując roztwór Simulated Body Fluid (SBF) o temperaturze 37 ^oC, obserwuje się narastanie materiału o składzie chemicznych zbliżonym do składu chemicznego tkanki kostnej na krystalitach podłoża ceramicznego.

Planuje się wykonanie badań mikrostrukturalnych zarówno podłoża hydroksyapatytowego jak i narastających krystalitów tkanki kostnej. Zaplanowano również badania zależności krystalograficznych oraz określenie uprzywilejowanych orientacji narastających krystalitów HAp metodami mikroskopii orientacji zarówno w SEM (EBSD) jak i w TEM (TKP) z szerokim wykorzystaniem techniki FIB.

Wykonanie kompleksowych analiz orientacji krystalograficznych w połączeniu z analizami chemicznych w mikroobszarach w tego typu materiałach bioceramicznych pozwoli na zdefiniowanie sposobu narastania tkanki kostnej (epitaksja, wpływ topografii podłoża, zarodkowanie w uprzywilejowanych miejscach podłoża itp.) a w konsekwencji będzie miało wpływ na zrozumienie procesu narastania tkanki kostnej na wszczepionych implantach ceramicznych.

Zespół, który będzie realizował problem badawczy implanty kostne został zaproszony do nowego programu COST pt. „Multifunctional ceramics: Materials Engineering at Different Length Scale”, jako kontynuacja COST 525, w którym IMIM PAN brał aktywny udział.


Priorytet II: Materiały amorficzne, nano- i mikrokrystaliczne

Temat 4: Opracowanie i charakterystyka materiałów amorficznych i nanokrystalicznych uzyskanych metodami szybkiej krystalizacji i metalurgii proszków
Kierownik: Prof. dr hab. inż. Jan Dutkiewicz

Problem badawczy: Nowe materiały amorficzne na bazie Cu, Ti, Ni i Zr

Poszukiwane będą nowe materiały amorficzne na osnowie miedzi, tytanu, niklu i cyrkonu metodami „melt spinning” i mechanicznej syntezy, jak też uzyskanie masywnych próbek amorficznych poprzez prasowanie w próżni przy wysokim ciśnieniu i temperaturze przy użyciu skonstruowanego ostatnio urządzenia. Ponadto planuje się badania własności mechanicznych nowych stopów w których uzyskano ponad 1000 MPa granicę sprężystości przy odkształceniu sprężystym 2%. Do istotnych zagadnień będzie należało określenie struktury stanu amorficznego po mechanicznej syntezie i porównanie z tymi samymy stopami uzyskanymi jako amorficzne przy szybkim chłodzeniu.

Ponadto planuje się uzyskać kompozyty amorficzno nanokrystaliczne poprzez wymieszanie składników i prasowanie na gorąco w próżni. Zabieg ten powinien pozwolić na uzyskanie pewnej plastyczności stopów amorficznych. Do tej pory brak plastyczności stopów amorficznych stanowi poważny problem ograniczający ich zastosowanie. Ważnym zagadnieniem jest zbadanie procesu krystalizacji pierwotnej, a dla nanomateriałów procesu rekrystalizacji, ewentualnie procesów ograniczających stabilność struktury takich jak np. rozpuszczanie faz metastabilnych. W obu przypadkach planuje się rozwinięcie metodyki stosowanych metod mikrokalorymetrycznych w kierunku precyzyjniejszego określenia badanych procesów. W przypadku materiałów amorficznych o niskiej temperaturze Tx, takich jak stopy na bazie Mg lub Al, oraz nanomateriałów, planuje się zastosowanie metod kalorymetrii modulowanej, która może dostarczyć niezależne wyniki dotyczące Cp i entalpii przemiany.

Badania te wykonywane będą przy współpracy z Dr Ochin i Prof. Portier z Francji. Planowana jest kontynuacja współpracy w ramach projektu Europejskiego BMG, który aktualnie realizowany jest w 6PR UE.

Problem badawczy: Nanokrystaliczne stopy na osnowie aluminium i tytanu uzyskiwane metodami mielenia i prasowania na gorąco w próżni.

Wykorzystane zostaną dotychczasowe doświadczenia i wyniki badań uzyskanych w stopach aluminium otrzymanych metodami tradycyjnymi i metodami metalurgii proszków, z uwzględnieniem wpływu dodatków skandu i cyrkonu. Jeśli weźmie się pod uwagę nanokrystalizację tych stopów możliwości podwyższenia ich wytrzymałości nie zostały dotychczas w pełni wykorzystane i należy oczekiwać, że możliwe będzie uzyskanie stopów o granicy wytrzymałości powyżej 1000 MPa, co pozwoli na uzyskanie bardzo wysokiej wytrzymałości właściwej. Przedmiotem prowadzonych prac powinny być stopy o znacznie podwyższonej w stosunku do wysokowytrzymałych stopów serii 7XXX zawartości dodatków stopowych do około 18 %. Jako główny dodatek modyfikujący rozrost ziarna proponuje się wprowadzić cyrkon w ilościach 0.5% – 2%, co przekracza graniczną rozpuszczalność tego pierwiastka w aluminium. Proponuje się również przygotować stopy, w których cyrkon będzie częściowo zastąpiony przez skand. Zr i Sc tworzą w stopach aluminium sferyczne, koherentne z matrycą wydzielenia Al₃(Sc, Zr) o strukturze L1₂, których wpływ na własności jest korzystniejszy niż wydzieleń Al₃Zr. Szybkochłodzone taśmy zamierza się otrzymać metodą odlewania z fazy ciekłej na wirujący walec miedziany. Stop w postaci proszku będzie uzyskiwany metodą mechanicznej syntezy. Metoda ta daje możliwość uzyskania z proszków pierwiastków wyjściowych proszków metastabilnych, przesyconych roztworów stałych charakteryzujących się jednorodnym składem chemicznym o wielkości krystalitów na poziomie kilku nanometrów lub nawet faz amorficznych. Na podstawie badania struktury proszków w trakcie mielenia zostanie oszacowany czas mielenia potrzebny do uzyskanie jednorodnej struktury proszku.

Oba proponowane problemy badawcze znajdują swoje odbicie w ofercie zgłoszonej w konkursie na PBZ „Nowoczesne technologie oraz zaawansowane materiały i wyroby w zrównoważonym rozwoju przemysłu metali nieżelaznych” w postaci wyodrębnionych zadań pt. „Opracowanie technologii wytwarzania i charakterystyka masywnych stopów amorficznych i kompozytów na ich osnowie z zakresu składów Zr-Cu-Ti-Ni-Ag-Nb-Co oraz Ni-Ti-Zr-Nb-Cu” oraz „Opracowanie technologii wytwarzania ultradrobnoziarnistych wysokowytrzymałych stopów Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc o podwyższonej zawartości dodatków stopowych metodami metalurgii proszków oraz charakteryzacja ich struktury i właściwości mechanicznych”.

Temat 5: Rola metod odkształcenia plastycznego w tworzeniu materiałów o ultradrobnym ziarnie

Kierownik: Prof. dr hab. inż. Jan Kuśnierz (od 2009- Doc. dr hab. inż. Henryk Paul)

Problem badawczy: Wpływ odkształcenia na właściwości nanomateriałów otrzymanych intensywnym odkształcaniem za pomocą HPT, ARB i ECAP.

Zagadnienie to jest istotne z perspektywy wytwarzania materiałów o strukturze ultra drobnokrystalicznej (nanokrystalicznej). Proponowane metody otrzymywania nanomateriałów za pomocą intensywnego odkształcania poprzez skręcanie pod wysokim ciśnieniem (High Pressure Torsion – HPT), akumulacyjne walcowanie pakietowe (Accumulative Roll-Bonding – ARB) oraz przeciskanie w kanale kątowym (Equal-Channel Angular Pressing – ECAP) pozwalają otrzymać drobnoziarniste materiały charakteryzujące się wysokimi własnościami wytrzymałościowymi. Często jednak wykazują ograniczoną plastyczność. Celowe zatem są badania zmierzające do poprawy własności plastycznych materiałów o strukturze ultra drobnokrystalicznej (nanokrystalicznej) wytworzonych techniką intensywnych odkształceń plastycznych.

Planowane wszechstronne badania wytwarzanych materiałów o nanokrystalicznej strukturze mają na celu z jednej strony opracowanie technologii wytwarzania metodami intensywnego odkształcenia materiałów o wysokich własnościach wytrzymałościowych, a dzięki temu zmniejszenia wymiarów np. biozgodnych implantów (przypadek Ti i jego stopów) a z drugiej strony wytworzenia wysokowytrzymałych nanokrystalicznych materiałów charakteryzujących się przy tym zwiększoną ciągliwością (np. dla celów nadplastycznego formowania lub podwyższonego pochłaniania energii odkształcenia plastycznego w przypadku wysokowytrzymałych i trudno odkształcalnych stopów Al).

Perspektywicznie przewidywane jest wykorzystanie zdobytej wiedzy do wprowadzenia do przemysłu, w formie wdrożenia do produkcji m.in. wielowarstwowych, nanokrystalicznych elementów rurowych. W tym zakresie nawiązano ścisłą współpracę z firmą Delphi-oddział w w Ostrowie Wielkopolskim, która jest wiodącym w kraju producentem układu chłodzenia silnika i układów klimatyzacyjnych stosowanych w przemyśle samochodowym (wspólny projekt badawczo-rozwojowy).

Planuje się dodatkowo wykorzystanie przeciskania na gorąco w kanale kątowym do wytwarzania wybranych, wysokowytrzymałych stopów Al o strukturze nanokrystalicznej oraz prowadzenie wyciskania wielowarstwowych elementów z wykorzystaniem odkształceniowego spajania pomiędzy składanymi elementami. Realizacja ostatniego z wymienionych przedsięwzięć powinna przysporzyć Instytutowi korzyści, w formie wymiernych efektów ekonomicznych.

Problem badawczy: Badania emisji akustycznej (EA) i mechanizmów odkształcenia w nano-krystalicznych metalach, stopach i kompozytach poddanych testom ściskania po obróbce metodami ECAP, HPT i ARB.

Wyniki dotychczasowych badań przeprowadzonych potwierdzają tezę, że dominujący wkład do obserwowanych sygnałów EA w metalach i stopach pochodzi od kolektywnych (zsynchronizowanych) procesów anihilacji dyslokacji, zachodzących przede wszystkim na powierzchni badanego materiału. W mniejszym stopniu wkład do EA pochodzi również od procesów kolektywnego przyspieszania grup bardzo wielu dyslokacji. W kompozytach zbrojonych włóknami ceramicznymi istotny wkład do EA wnoszą procesy mikropękania włókien.

Uzyskane dotychczas doświadczenia w zakresie związków EA z plastycznością stanowią bardzo mocne przesłanki do podjęcia nowej tematyki dotyczącej badań zachowania się EA w metalach, stopach i kompozytach poddanych testom ściskania po przetworzeniu metodami intensywnego odkształcenia (ECAP, HPT i ARB). Metody ekstremalnych odkształceń są coraz bardziej powszechnie stosowane we współczesnych technologiach przetwarzania metali gdyż umożliwiają uzyskanie rozdrobnienia mikrostruktury do postaci ultradrobnoziarnistej (nano-krystalicznej) wielkości ziarna i w rezultacie wzrostu wytrzymałości i plastyczności materiału.

Celem powyższych badań jest, po pierwsze, udokumentowanie i wyjaśnienie - w oparciu o modele dyslokacyjne - związków pomiędzy zjawiskiem EA, a mechanizmami odkształcenia plastycznego związanego głównie z niestabilnym płynięciem (efekt PL, bliźniakowanie, pasma ścinania) oraz płynięciem nadplastycznym w materiałach po obróbce metodami ECAP, HPT i ARB. Po drugie, zastosowanie nowoczesnego oprogramowania do analizy sygnałów EA (metoda falkowa, akustogramy, charakterystyki widmowe) będzie miało na celu uzyskanie głębszej wiedzy i lepszego rozumienia mechanizmów odkształcenia, a przede wszystkim możliwości ich identyfikacji za pomocą metody EA.

Zastosowanie metody EA w badaniach nadplastyczności ma charakter pionierski. Pierwsze badania na temat generowania EA w materiałach ultradrobnoziarnistych dotyczył próby rozciągania czystej miedzi o wielkości ziarna 200 nm (1998 rok). Istnieją sugestie, iż EA w takich materiałach w dużym stopniu zależy od specyficznego stanu granic ziaren i jest także silnie związana z lokalizacją odkształcenia plastycznego na poziomie mezoskopowym. Jednak szczegółowy mechanizm nie jest jeszcze jasny i w jego dalszym zrozumieniu może być pomocna precyzyjna analiza pojedynczych zdarzeń EA.

Problem badawczy: Wpływ granic ziaren oraz wydzieleń cząstek drugiej fazy na zarodkowanie w procesie rekrystalizacji.

Problematyka proponowanych badań obejmuje dwie zasadnicze grupy zagadnień. Z jednej strony zmierzać one będą do wyjaśnienia wpływu granic ziaren, a zwłaszcza ich połączeń potrójnych, na proces zarodkowania nowych ziaren w procesie odnowy strukturalnej. Z drugiej strony proponuje się przeprowadzenie systematycznych badań w celu ustalenia roli wydzieleń cząstek drugiej fazy na proces rekrystalizacji. Badania przeprowadzone będą na metalach o zróżnicowanym typie sieci krystalicznej, tj. regularnej ściennie centrowanej (stopy Al-0.1%Mn oraz Al-1%Mn) oraz heksagonalnej zwartej (stopy wykorzystywane w energetyce jądrowej typu Zircalloy-4 lub -2). Szczególnie interesujące wydają się wyprzedzające badania stopów Zr, które znajdują szerokie zastosowanie w procesie produkcji rur okładzinowych na pręty paliwowe. W chwili obecnej problematyka ta jest zainicjowana w IMIM PAN w ramach współpracy z Ecole des Mines de Saint Etienne (Francja). Pomimo, że stopy te w Polsce nie są wykorzystywane w praktyce przemysłowej to sytuacja ta może ulec zasadniczej zmianie w momencie podjęcia decyzji o budowie elektrowni jądrowych. Celowe zatem wydaje się podjęcie badań wyprzedzających nad szczególnie interesującą problematyką odkształcenia i rekrystalizacji stopów Zr, zwłaszcza w kontekście formowania się specyficznej tekstury materiału w pełni zrekrystalizowanego, silnie implikującej własności gotowych wyrobów.



Temat 6: Powłoki trybologiczne i antykorozyjne

Kier.doc.dr hab.Ewa Bełtowska-Lehman

Problem badawczy: Materiały tribologiczne wielowarstwowe na bazie „supersieci’

Perspektywę rozwoju powłok nowej generacji stanowią nanokrystaliczne gradientowe materiały funkcjonalne. Metoda osadzania laserem impulsowym pozwala uzyskiwać jednorodne powłoki mono- lub wielowarstwowe o budowie nanokrystalicznej praktycznie z dowolnego materiału. Problematyka realizowana będzie w odniesieniu do powłok tribologicznych typu: TiN/Ti, CrN/Cr, TiN/CrN w systemach wielowarstwowych. Szczególna uwaga skupiona zostanie na warstwie buforowej, osadzanej jako pierwsza bezpośrednio na podłożu, gdyż to ona determinuje właściwości adhezyjne całego układu. Analizie poddane zostaną defekty strukturalne pojawiające się w procesie osadzania. Podjęta będzie próba badania morfologii obszaru ulegającego niszczeniu na drodze pękania. Analizę strukturalną prowadzona będzie metodami AFM, SEM, TEM, HREM oraz XRD. Przedmiotem badań będzie morfologia powierzchni oraz mikrostruktura przekroju poprzecznego, tekstura krystalograficzna i wielkość naprężeń własnych.

Problem badawczy: Powłoki antykorozyjne wytwarzane metodą elektrochemiczną

Rozwój techniki powoduje wzrost zapotrzebowania na materiały o ściśle określonych właściwościach fizykochemicznych i mechanicznych. Powszechnie pokrywa się powierzchnie z metali lub tworzyw sztucznych powłokami z różnych materiałów celem nadania im specyficznych właściwości (np. antykorozyjnych, przeciwściernych, żaroodpornych), przy czym coraz częściej stosuje się do tych celów technikę elektrochemiczną. Drogą elektrolizy można otrzymać powłoki jedno lub wielowarstwowe z metali, stopów i kompozytów. Elektrochemiczna metoda wytwarzania powłok wyróżnia się między innymi prostotą i niskim kosztem aparatury, a także łatwością automatyzacji procesu. Zapewnia ściśle określoną grubość pokrycia (od ułamków mikrometra do dziesiątek mikrometrów), wysoką szybkość osadzania oraz możliwość nanoszenia powłok na duże powierzchnie o skomplikowanych kształtach. Przedmiotem prowadzonych badań będą powłoki stopów różnych metali o podwyższonych właściwościach antykorozyjnych, elektroosadzane z nietoksycznych wodnych kąpieli kompleksowych. Przewiduje się określenie mechanizmu i kinetyki procesu ich wydzielania, opracowanie na tej podstawie optymalnych składów kąpieli oraz zbadanie ich struktury i właściwości.

Zagadnienia związane z powłokami trybologicznymi i antykorozyjnymi są przedmiotem tzw. badań wspólnych w ramach sieci ECOENERGIA koordynowanych przez Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, w części związanej z miniaturyzacją elementów tribologicznych układów energetycznych, jak również w projekcie zamawianym „Rozwój nanotechnologii w inżynierii powierzchni”, zadanie: „Opracowanie technologii nanoszenia ultra-twardych powłok dwuwarstwowych (CrN/Si₃N₄)/TiN na narzędzia skrawające z węglików spiekanych”. Realizacja proponowanej tematyki znajdzie także w swoje odzwierciedlenie w projekcie zamawianym „Polskie Sztuczne Serce” w odniesieniu do elementów trybologicznych pneumatycznego lub hydraulicznego systemu wspomagania pracy serca.



Priorytet III: Materiały funkcjonalne

Temat 7: Materiały metaliczne do magazynowania wodoru
Kierownik: Doc. dr hab. inż. Władysław Gąsior

Spalanie wodoru jest procesem niezwykle wydajnym cieplnie i całkowicie ekologicznym ze względu na produkt reakcji, którym jest woda. Głównymi czynnikami wstrzymującym jego zastosowanie jest czynnik bezpieczeństwa spowodowany jego szeroką granicą wybuchowości (4 - 75%, zbliżona do acetylenu) oraz energochłonność procesu otrzymywania wodoru, z powodu jego znikomego występowanie w przyrodzie w stanie wolnym, chociaż w stanie związanym jest bardzo rozpowszechniony. Biorąc pod uwagę względy ekologiczne oraz poszukiwanie nowych technologii otrzymywania wodoru, które w przyszłości zapewne spowodują obniżenie kosztów jego wytwarzania, prowadzone są na świecie badania nad bezpiecznym jego magazynowaniem dla powszechnego zastosowania. Jednym z takich sposobów jest metoda chemicznego związania wodoru z najlżejszymi metalami, jak na przykład: lit, sód, bor, aluminium, wapń, magnez czy krzem lub ich stopami dwu- i wieloskładnikowymi.

Dla modelowanie procesu absorpcji i desorpcji wodoru w stopach konieczna jest znajomość właściwości termodynamicznych składników stopów przynajmniej dwuskładnikowych. Jednak ze względu na trudności w prowadzeniu badań termodynamicznych z metalami alkalicznymi wiele z nich nie zostało dotychczas zbadanych. Należą do nich między innymi takie układy dwuskładnikowe jak: Li-B, Li-Ca czy Ca-Mg. Dlatego też, proponuje się w najbliższych latach prowadzenie pomiarów właściwości termodynamicznych oraz pomiarów mikrokalorymetrycznych tych układów rozpoczynając od układu B-Li, w którym teoretyczna zawartość wodoru może sięgać 18% wagowych (66.66% atomowych) po utworzeniu związku LiBH₄.

Temat 8: Materiały inteligentne charakteryzujące się efektem pamięci kształtu.

Kierownik: Dr inż. Wojciech Maziarz

W ciągu ostatnich kilkunastu lat wyodrębniła się grupa materiałów funkcjonalnych określana mianem „inteligentnych”. Z ich rozwojem wiążą się duże możliwości zastosowań w wielu dziedzinach techniki oraz w medycynie. Obecnie materiały inteligentne doczekały się własnych czasopism specjalistycznych oraz cyklicznych konferencji naukowych. Tematyka ta uwzględniona została także w trzecim priorytecie 6 Programu Unii Europejskiej. Wytwarzanie materiałów inteligentnych, ze względu na relatywnie niewielka skalę produkcji (często stosowane w niewielkich urządzeniach) i bardzo zaawansowaną technologię, kwalifikują się do wdrożeń przede wszystkim przez małe i średnie przedsiębiorstwa.

Celem prac prowadzonych w ramach niniejszego tematu będzie wytwarzanie oraz charakterystyka struktury i właściwości materiałów inteligentnych. Zakres tematu obejmuje materiały z pamięcią kształtu, uzyskaną zarówno w wyniku zmiany temperatury jak i pola magnetycznego. Zamierzeniem projektu jest prowadzenie badań kompleksowych, obejmujących projektowanie materiałów, opanowanie i rozwój technologii wytwarzania oraz rozszerzone badania strukturalne i analiza cieplna.

Planuje się badania stopów na osnowie NiTi, NiAl, w których efekt pamięci kształtu wywołany jest przemianą martenzytyczną indukowaną cieplnie, jak również stopy Co-Ni-Al, Fe-Ni-Al i Ni-Mn-Ga, w których efekt pamięci kształtu wywołany jest zmianą orientacji krystalicznej martenzytu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Tematyka mieści się w ramach prowadzonych projektów o współpracy Polsko-Hiszpańskiej i KMM-Noe w VI PR UE, planowanej współpracy Polsko-Francuskiej oraz Projektu Zamawianego: Materiały inteligentne metaliczne, ceramiczne i polimerowe (projektowanie-otrzymywanie-struktura-właściwości-zastosowanie).

Problem badawczy: Otrzymywanie, struktura i właściwości stopów z indukowana cieplnie pamięcią kształtu

Zasadniczym celem realizacji problemu badawczego w przypadku stopów z przemianą martenzytyczną indukowaną cieplnie będzie opracowanie nowych składów stopów NiTi i NiAl z dodatkami trzeciego pierwiastka typu Nb, jak również opracowanie technologii otrzymania tych stopów metoda proszkową. W przyszłości planuje się również rozszerzenie badań w kierunku stopów miedzi, które obecnie ponownie znalazły się w kręgu zainteresowania badaczy szczególnie z ośrodków japońskich. Badania będą prowadzone w aspekcie otrzymywania powyższych materiałów, zarówno metodami konwencjonalnymi tj. odlewanie, ujednorodnianie, przeróbka plastyczna, jak i metalurgii proszków: mielenie w młynach wysokoenergetycznych oraz spiekanie pod ciśnieniem w próżni. W zakres tematyki problemu wchodzą również analizy struktury fazy martenzytycznej i wpływu wydzieleń innych faz poprzez wykorzystanie technik analizy cieplnej i zaawansowanych metod mikroskopii elektronowej.

Problem badawczy: Otrzymanie struktura i właściwości stopów z efektem magnetycznej pamięci kształtu

W przypadku stopów, w których efekt pamięci kształtu wywołany jest w wyniku przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego planuje się badania nowej grupy polikrystalicznych z układów Co-Ni-Al oraz Fe-Ni-Al, charakteryzujących się dobrą plastyczności jak również relatywnie niskim kosztem otrzymania. Dodatkowo analizowane będą stopy Ni-Mn-Ga wykazujące efekt magnetostrykcyjny w dwóch postaciach: a. monokryształach wytworzonych zmodyfikowaną metoda Bridgmana, b. cienkich warstwach uzyskanych metodą laserowa PLD (Pulsed Laser Deposition) na podłożu Si i monokryształu Ni-Mn-Ga.

Przedmiotem badań będzie optymalizacja składu chemicznego i warunków wytwarzania monokryształów, wpływ składu chemicznego na zmianę temperatury przemiany martenzytycznej, analiza właściwości magnetycznych w materiałach monokrystalicznych, wpływ odkształcenia plastycznego w temperaturach podwyższonych, powyżej przejścia krucho-plastycznego, na efekt magnetycznej pamięci kształtu, optymalizacja parametrów nanoszenia cienkich warstw w aspekcie mikrostruktury i właściwości.

Temat 9: Materiały warstwowe
Kierownik: Prof. dr hab. inż. Waldemar Wołczyński

Problem badawczy: Nowe materiały wielowarstwowe uzyskane techniką detonacyjną

Metoda detonacyjna pozwala na uzyskanie powłoki wielowarstwowej odpornej na ścieranie, korozję i pełzanie. Chodzi zatem o materiały żaroodporne i żarowytrzymałe. Zastosowanie tego typu materiałów to elementy uzbrojenia wojskowego. Bardzo istotnym zagadnieniem jest odpowiednia adhezja. Dlatego planowana metoda wybuchowa porównana będzie z metodą plazmową i HVOF. Dla przykładu warstwy tego typu są około 200 razy bardziej odporne na ścieranie niż np. żeliwa sferoidalne stosowane na tuleje silników.

Metoda wybuchowa będzie poddana optymalizacji z uwagi na wpływ energii detonacji na adhezję w powiązaniu z obserwacjami morfologicznymi. Detonacji dokonywać się będzie z użyciem mieszaniny gazów propan/butan przy doprowadzeniu tlenu i inicjacji świeca zapłonową. Azot będzie medium niosącym cząstki materiału danej podwarstwy. Planuje się więc wykonanie badań mających na celu porównanie budowy warstwy natryskiwanej plazmowo z efektami tworzenia powłok techniką detonacyjną oraz HVOF i poznanie różnic w mechanizmie tworzenia wielowarstwy, a przede wszystkim dokonanie wspomnianej już optymalizacji energii wybuchu. Wynika to z faktu, iż w metodzie detonacyjnej każda kolejna podwarstwa jest innym materiałem dobieranym selektywnie i nie związanym z jednym i tylko jednym diagramem fazowym, jak to miało miejsce w przypadku analizowanego dotąd natryskiwania plazmowego kiedy to bazowano np.: na diagramie pseudo-podwójnym ZrO₂ – Y₂O₃.

Zamierza się zatem dokonać opisu charakterystyki morfologicznej materiałów wielowarstwowych (podwarstwy związków międzymetalicznych typu NiCr, NiAl, FeAl, w tym, z mini warstwą tlenkową Al₂O₃. W obserwacjach morfologicznych zastosowane zostaną różne techniki badawcze (SEM, TEM, dyfrakcja rentgenowska). Planuje się wykonanie analizy eksperymentalnej segregacji składników. Adhezja analizowana będzie przy zastosowaniu testu zarysowania igłą. Przewiduje się współpracę z Wojskową Akademią Techniczną w zakresie uzyskania powłok w technologii detonacyjnej czy HVOF. Ponadto, partner zobowiązany byłby do oceny adhezji tego typu powłoki.

Problem badawczy: Modelowanie zjawisk towarzyszących powstawaniu wielowarstw

Zadaniem modelowania mechanizmów jakie towarzyszą poszczególnym technologiom jest pomoc w sterowaniu daną technologią. Model pozwala prognozować sekwencję pojawiania się faz i związków oraz ich zaniku podczas dalszej obróbki termicznej materiału. Jest więc wygodnym narzędziem dla technologa przy planowaniu rodzaju podwarstw korzystnych w danym systemie podłoże/wielowarstwa. Planuje się badania związane ze sterowaniem wzrostem monokryształu Ti-Zn (sieć heksagonalna) wzmacnianego warstwowo wydzieleniami fazy międzymetalicznej TiZn₁₆. Sterowanie wzrostem takiego monokryształu wzmacnianego warstwowo analizowane będzie w oparciu o model powstawania wydzieleń, który ujmie zjawiska rozdziału składnika podczas krystalizacji i dyfuzji wstecznej. Model dotyczyć będzie przebiegu procesu w warunkach stacjonarnych w nieznacznym odchyleniu od równowagi termodynamicznej.

Badania dotyczyć będą zamkniętych systemów Bridgmana, ale wnioski z badań odniesione zostaną także do układu otwartego. Poznanie mechanizmów towarzyszących kształtowaniu tego typu materiału można będzie także uogólnić i odnieść do innych materiałów. Przykładowo, stop Zn-0.1Ti ma znaczenie przemysłowe i stosowany jest na pokrycia narażone na działanie warunków atmosferycznych a posiada tę zaletę że nie wymaga dodatkowych powłok ochronnych.

Dalsze zagadnienia dotyczyć będą technologii powłok wielowarstwowych uzyskanych metodą zanurzeniową lub podczas spajania dyfuzyjnego, a także hybrydowej obróbki powierzchniowej (typu duplex), prowadzącej do powstania ochronnej super warstwy azotkowej bądź tlenkowej. Modelowym do proponowanych badań byłby system Ni/Al lub Ti/Al czy też Fe/Zn. Wielowarstwa typu Ni/Al dotyczy różnych elementów maszyn i instalacji. Wielowarstwa typu Ti/Al dotyczy materiałów biozgodnych. Wielowarstwa typu Fe/Zn dotyczy cynkowania np. blach stalowych i innych elementów narażonych na korozję. Problem jest o tyle istotny, że w Polsce funkcjonuje co najmniej 70 ocynkowni. Analizowany będzie mechanizm krystalizacji oraz przejście od krystalizacji do przemiany w stanie stałym, pierwszej w sekwencji po krystalizacji. Ponieważ procesy tego typu biegną w warunkach metastabilnych dlatego opracowany zostanie nowy model mechanizmu tworzenia podwarstw z faz międzymetalicznych oparty na diagramie fazowym równowagi metastabilnej. W ramach tego zadania badania poświęcone zostaną również analizie wpływu temperatury rzeczywistej krystalizacji w izotermicznych procesach nanoszenia powłok wielowarstwowych na lokalizację ścieżki krystalizacji. Przewidywana jest współpraca z WAT, AGH, oraz PW oraz National Institute of Advanced Industrial Science and Technology w Tsukuba-East, Japonia.

Realizacja proponowanej tematyki wiąże się także z możliwością oceny stopnia segregacji poszczególnych składników podczas krystalizacji. Został zgłoszony projekt badawczo-rozwojowy z zakresu diagnostyki zjawisk mikrosegregacyjnych w odlewanych wyrobach hutniczych o wielkich gabarytach (Huta Buczek w Sosnowcu). Planowane badania statutowe wzbogacą możliwości wykonawcze wnioskowanego projektu rozwojowego. W szczególności dotyczy to bezpośredniego wykorzystania wyników dotyczących wydzieleń warstwowych wzmacniających, a także wykorzystania modelu równowagi metastabilnej oraz wpływu temperatury rzeczywistej na lokalizację ścieżki krystalizacji.

Temat 10: Mikrostruktura a własności mechaniczne wysokotopliwych faz międzymetalicznych na bazie Ni

Kierownik: Dr Tomasz Czeppe

Problem badawczy: Określenie wpływu mikrostruktury uzyskiwanej poprzez szybkie chłodzenie lub intensywne odkształcenie (HPT) na własności mechaniczne wysokotopliwych faz międzymetalicznych na bazie Ni.

W zakresie tematyki badawczej IMIM PAN przez wiele lat realizowano temat związany z własnościami faz międzymetalicznych, wykazujących stabilność struktury do temperatur wysokich, szereg korzystnych własności fizykochemicznych oraz zwykle bardzo złe własności mechaniczne. Główne nurty tej tematyki dotyczyły stopów z układów NiAl, FeAl i TiAl. W tym zakresie w nauce światowej uzyskano ograniczony postęp. Obecnie, na podstawie studiów literaturowych, można stwierdzić, że problematyka związków międzymetalicznych odradza się. Jest to związane z nowymi trendami, takimi jak: uzyskanie nadplastycznego odkształcenia w stopach NiAl i innych związkach międzymetalicznych, uzyskiwanie zmienionych własności poprzez metody szybkiej krystalizacji, wprowadzenie metod badania orientacji mikroobszarach metodami transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Wiąże się z tym nadzieję na powiązanie rozwoju tekstury i rekrystalizacji z uplastycznieniem materiału. W IMIM PAN nurt badania stopów NiAlCu, uzyskiwanych poprzez szybką krystalizację był kontynuowany. Uzyskano zdecydowanie podwyższone własności wytrzymałościowe, w porównaniu z materiałami masywnymi, klasycznie odlewanymi. Badania na taśmach szybko chłodzonych na dysku, pozwoliły na głębszą analizę ewolucji metastabilnej struktury fazowej w stopach NiAlCu, w szczególności w odniesieniu do fazy Ni₅Al₃. Wyniki wymagają dalszej weryfikacji, ale też stwarzają możliwości rozszerzenia badań, np. o dodatki Ti, Mn i Co oraz o metody badania zmian orientacji lokalnych. Oczekuje się wykazania możliwości uzyskania korzystnych własności mechanicznych faz wysokotopliwych poprzez właściwą mikrostrukturę i skład fazowy (metastabilny) uzyskiwane poprzez niekonwencjonalne przygotowanie materiału, wykorzystanie wiedzy o orientacjach lokalnych i rekrystalizacji do jego poprawy, uzyskanie właściwości takich jak ciepło właściwe do modelowania diagramów fazowych np. metodą THERMOCALC lub DICTRA.

Rozwinięcie tego typu badań wymaga przygotowania nowej bazy aparaturowej do właściwego przygotowania próbek: po wstępnej przeróbce plastycznej i rekrystalizacji (należy dążyć do odkształcenia nadplastycznego), po szybkiej krystalizacji we wlewnicy miedzianej i na wirującym dysku. Proponowana tematyka badawcza jest zbieżna z zakresem programu współpracy międzynarodowej z Instytutem Nadplastyczności Rosyjskiej Akademii Nauk w Ufie. Dlatego też metody przygotowania materiałów stosowane w IMIM PAN mogą zostać poszerzone o metodę Wysokociśnieniowego Skręcania (HPT).

Priorytet IV: Rozwijanie narzędzi badawczych i technik diagnostycznych

Temat 11: Rozwój metodyki diagnozowania degradacji warstw przypowierzchniowych z wykorzystaniem tekstury krystalograficznej i naprężeń własnych

Kierownik: Doc. dr hab. inż. Jan Bonarski

Opracowana w ostatnich latach nowa metoda analizy tekstury w warstwach przypowierzchniowych, jaką jest Rentgenowska Tomografia Teksturowa (RTT) stanowi dobrą bazę do uzyskiwania innych charakterystyk struktury, szczególnie w gotowych elementach konstrukcyjnych. Nowe rozwiązania eksperymentalne i teoretyczne RTT umożliwiają uzyskanie takich charakterystyk, jak profil naprężeń własnych, głębokościowy rozkład udziału faz czy wielkości ziarna.

Aby te potencjalne możliwości badawcze można było efektywnie (z określoną precyzją i stosunkowo szybko) wykorzystywać w praktyce, potrzebne są jeszcze dalsze prace nad usprawnieniem techniki ekstrakcji potrzebnych informacji, jakie niesie ze sobą wiązka ugięta, odpowiedni software przetwarzający dane i obliczający określone wielkości, unifikacja formatów WE-WY w stosunku do oprogramowania tworzonego w Instytucie od wielu lat, testy na materiałach i próbkach modelowych, itp. Wymienione zagadnienia będą przedmiotem pracy w ramach badań statutowych w latach 2008-11, a ich spodziewanym efektem będzie zestaw nieniszczących narzędzi badania zmian strukturalnych w warstwach przypowierzchniowych w mezoskali.

Uwzględniając możliwość pozyskiwania charakterystyk planarnych dzięki rozwijanej obecnie w Topografii Rentgenowskiej, a także wyniki prowadzonych równolegle badań efektów elektro-chemicznych mono- i polikryształów, podjęta zostanie próba utworzenia odpowiedniej bazy wiedzy dostępnej powszechnie poprzez pracowniany serwer internetowy. Zakłada się, że w ramach zamierzonych badań sformułowane zostaną tematy rozpraw doktorskich, a uzyskiwane wyniki znajdą zastosowanie w badaniach aplikacyjnych finansowanych ze źródeł zewnętrznych. Wynikami realizowanego aktualnie w IMIM PAN projektu badawczego zamawianego dotyczącego nieniszczącej metodyki diagnozowania struktury materiałów są m.in. Polskie Koleje Państwowe. W specjalnym liście intencyjnym, firma PKPO Cargo S.A. zadeklarowała udostępnienie swojej stacji remontowej lokomotyw, co jest podstawą współpracy (przygotowywany projekt rozwojowy) w zakresie budowy prototypowego stanowiska monitorowania degradacji kół zestawów kolejowych w warunkach eksploatacyjnych. Stanowisko takie umożliwi wykrywanie wczesnego stadium przyspieszonego zużycia zmęczeniowego kół bosych i obręczy. Oczekuje się, że tak poprowadzona diagnostyka struktury wybranych elementów konstrukcyjnych znacznie poprawi bezpieczeństwo eksploatacji, zwłaszcza szybkich pociągów osobowych.

Temat 12: Charakterystyki orientacji krystalograficznych a właściwości materiałów

Kierownik tematu: Doc. dr hab. Krzysztof Sztwiertnia

Problem badawczy: Rozwinięcie metodyki pomiaru topografii granic ziarn i metodyki ich charakteryzacji w oparciu o mapy orientacji krystalograficznych zmierzone w SEM i TEM.

Stopy aluminium o submikronowych ziarnach budzą coraz większe zainteresowanie ze względu na bardzo dobre parametry wytrzymałościowe. Obecnie, struktury o ultra-drobnym ziarnie uzyskuje się wykorzystując intensywne odkształcanie, stosując w większości przypadków metodę wyciskania w kanale kątowym. Produkcja dużych ilości materiału metodą wyciskania w kanale, a także innymi metodami wykorzystującymi intensywne odkształcenie, jest jednak trudna i kosztowna. Na podstawie niektórych wyników badań, a także badań własnych można przypuszczać, że ultra-drobnoziarniste struktury można otrzymać konwencjonalnymi metodami wykorzystującymi, zamiast intensywnego odkształcenia, walcowanie na zimno do dużych stopni zgniotu i precyzyjną obróbkę cieplną. Silne rozdrobnienie ziarna można uzyskać w procesie kontrolowanej rekrystalizacji ciągłej, prowadzonej w sposób ograniczający migrację granic dużego kąta. Ostateczny kształt i wielkość ziaren zależy od gęstości i topografii tych granic w materiale.

Ustalenie parametrów zmodyfikowanej obróbki cieplno-mechanicznej, która doprowadza do uzyskania submikronowej struktury wymaga szczegółowego opracowania takich zagadnień jak:

· wpływ początkowej wielkości ziarna, stopnia oraz zmiany drogi odkształcenia na mikrostrukturę materiału po deformacji (głównie na topografię granic dużego kąta),

· zmiany topografii granic małego i dużego kąta na różnych etapach wyżarzania,

· identyfikacja mechanizmów zarodkowania i wzrostu w obszarach zlokalizowanego odkształcenia i poza nimi,

· warunki przejścia między rekrystalizacją nieciągłą, a rekrystalizacją ciągłą.

Badania mikrostruktury stanu odkształconego prowadzone będą głównie w oparciu o pomiary topografii orientacji krystalograficznych w skaningowym (SEM) i w transmisyjnym (TEM) mikroskopie elektronowym. W celu śledzenia ilościowych zmian mikrostruktury odkształconego materiału na różnych etapach wyżarzania zostanie opracowana metodyka charakteryzacji rozkładów granic ziaren (i zmian tych rozkładów). Przewiduje się badania in situ w TEM oraz równoległe badania kalorymetryczne i mikroskopowe (w próbkach podgrzanych w kalorymetrze do określonych temperatur będą mierzone topografie orientacji w SEM i w TEM). Globalne tekstury po odkształceniu i po rekrystalizacji będą kontrolowane w oparciu o pomiar figur biegunowych w dyfraktometrze rentgenowskim.

Dotychczasowe osiągnięcia dotyczące wyznaczania topografii granic ziaren znalazły swoje odzwierciedlenie w udziale w konsorcjum Airbusa i wniosku do VII PR UE- Projekt OPTIMAN- Optimization of Titanium Manufacturing. Development of Ti 555.

Problem badawczy: Określenie korelacji między orientacją pojedynczych krystalitów a fluktuacjami składu chemicznego w wybranych materiałach ceramicznych

Próby określenia zależności pomiędzy lokalnymi zmianami orientacji krystalograficznych a wynikami analiz składu chemicznego w mikroobszarach otrzymanych za pomocą spektrometrii WDXS w zastosowaniu do tworzyw ceramicznych zostały przedstawione w publikacji: Faryna M., Sztwiertnia K., Sikorski K., „Simultaneous WDXS and EBSD Investigations of Dense PLZT Ceramics”, Journal of European Ceramic Society 26 (2006) 2987-2971. Publikacja ta zawiera jednak tylko wyniki uzyskane za pomocą dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych w SEM charakteryzującym się ograniczoną przestrzenną zdolnością rozdzielczą.

Rozszerzenie tych badań o analizę topografii orientacji w TEM i FEG-SEM znacząco poprawi zdolność rozdzielczą tej metody i pozwoli na precyzyjne śledzenie zmian orientacji w takich krystalitach, w których uprzednio stwierdzono fluktuacje składu chemicznego (pomimo teoretycznej homogeniczności układu) stwierdzone za pomocą spektrometrii dyspersji długości fali promieniowania rentgenowskiego (mikroanaliza o WDXS).

Materiałem użytym do badań będzie tzw. ceramika ferroelektryczna obejmująca szeroką gamę roztworów stałych, wśród których jedną z ważniejszych grup stanowią materiały o strukturze typu perowskitu (ABO₃). Ich wzorcowym przykładem są wieloskładnikowe roztwory stałe na bazie PZT – czyli Pb(Zr_xTi_1-x)O₃. Charakteryzują się one homogenicznością składów w całym zakresie mieszalności układów (1-x)PbZrO₃ – x PbTiO₃, dla x= (0 – 1), która z kolei sprzyja jego domieszkowaniu. Możliwość modyfikowania składów chemicznych, poprzez wprowadzanie domieszek innych pierwiastków, jak również dobór metody i warunków syntezy czy spiekania ma istotny wpływ na parametry uzyskiwanych materiałów ceramicznych.

Modyfikowanie podstawowego składu PZT prowadzi do polepszenia dielektrycznych i piezoelektrycznych właściwości tej ceramiki (wzrost współczynnika sprzężenia elektromechanicznego, prostokątność pętli histerezy, zmniejszanie się pola koercji E_c, polepszanie się podatności mechanicznej i przezroczystości). Wykonanie kompleksowych analiz orientacji, analiz chemiczna w mikroobszarach a także analiz stanu naprężeń w tego typu ceramice ma istotne znaczenie na dalsze modyfikacje tego typu tworzyw ceramicznych.

Problem badawczy: Analiza relacji orientacji krystalograficznych w materiałach wielofazowych wytworzonych w procesie krystalizacji kierunkowej

Badanie mikrostruktury materiałów uzyskanych metodą krystalizacji kierunkowej stanowi ważny i interesujący problem, zarówno w aspekcie utylitarnym ze względu na ich zastosowania (np. na łopatki turbin), jak i w aspekcie poznawczym, w którym weryfikowane są modelowe przedstawienia tzw. relacji orientacji faz (RO). Relacja orientacji pomiędzy ziarnami różnych faz w materiałach wielofazowych stanowi ważną charakterystykę mikrostruktury i ma wpływ na ich właściwości. Oprócz czysto geometrycznej różnicy orientacji sąsiadujących ziaren różnych faz interpretacja RO powinna uwzględniać rozkład atomów po obu stronach powierzchni międzyfazowej.

Planuje się wykorzystanie tzw. modelu sieci O, jak również zastosowanie metody „z pierwszych zasad”, które umożliwiają wprowadzenie do modelu informacji o przestrzennym rozkładzie atomów. Wymienione metody wzbogacą zbiór rutynowych metod analizy mikrostruktury. W uzupełnieniu badań planowane jest zastosowanie metody elementów skończonych do modelowania odkształcenia plastycznego materiałów wytworzonych w procesie krystalizacji kierunkowej przy zadanej RO. Porównanie wyników modelowania z danymi eksperymentalnymi pozwoli na weryfikację mechanizmu odkształcenia.

Eksperymentalne badania mikrostruktury prowadzone będą w oparciu o pomiary topografii orientacji krystalograficznych przy wykorzystaniu skaningowego oraz transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Opisu tekstury globalnej dostarczy funkcja rozkładu orientacji wyznaczona na podstawie figur biegunowych zmierzonych przy wykorzystaniu dyfrakcji rentgenowskiej.

Rozwinięciem proponowanej tematyki badawczej jest oferta we wniosku o projekt zamawiany „Nowoczesne technologie oraz zaawansowane materiały i wyroby w zrównoważonym rozwoju przemysłu metali nieżelaznych”, zadanie: „Wieloskalowa, ilościowa charakterystyka mikrostruktury zaawansowanych technologicznie materiałów”.

Problem badawczy: Rozwój metod wyznaczania orientacji i naprężeń z dużą rozdzielczością (TEM).

Prace będą dotyczyć metod wyznaczania lokalnych orientacji i odkształceń sieci krystalograficznej z dużą rozdzielczością przestrzenną. Stworzone zostanie własne oprogramowanie do akwizycji map orientacji przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej w oparciu o obrazy dyfrakcyjne Kikuchi’ego. Planuje się też rozszerzenie tego układu o akwizycję map na podstawie dyfrakcyjnych obrazów punktowych. Nowością będzie implementacja tych metod w ramach jednego systemu.

Co do wyznaczania lokalnych odkształceń, planowane są zastosowania stworzonego wcześniej programu komputerowego do wyznaczania lokalnych odkształceń z oparciu o obrazy dyfrakcyjne uzyskane wiązką zbieżną. Ponadto powstanie oprogramowanie do obliczania składowych tensora odkształceń z geometrii linii Kossela.

Ponieważ metody powyższe charakteryzują się rozdzielczością rzędu nanometrów, projekt wpisuje się w obecny trend badań w nanoskali. Jego realizacja wniesie wkład w automatyzację metod badawczych i rozszerzy bazę eksperymentalną IMIM PAN o nowe techniki charakteryzacji materiałów. Badania częściowo będą finansowane przez: 6.PR, Marie Curie Reintegration grant oraz ze środków na uczestnictwo w specjalnym programie badawczym). Są TAKŻE Przedmiotem oferty w VII PR UE-SME-Software package for Automatic Measurements of Orientations and Strain/Stresses in Nanostructured Materials.

Temat 13. Kompleksowa charakterystyka zaawansowanych materiałów z zastosowaniem nowych technik TEM
Kierownik: Doc. dr hab. inż. Jerzy Morgiel

W ramach tematu planowane jest rozszerzenie informacji uzyskiwanych technika mikroskopii wysokorozdzielczej (HREM), o informacje o lokalnym składzie chemicznym z równoległym wykorzystaniem tzw. techniki HAADF (znany również pod nazwą Z-kontrast, związany z nieelastycznym rozpraszaniem elektronów) oraz techniką EDS z wykorzystaniem ekstremalnie małej wiązki.

Do prowadzenia obserwacji wysokorozdzielczych wykorzystany zostanie pakiet oprogramowania TRUEIMAGE umożliwiającego uzyskanie obrazu wysokorozdzielczego w oparciu o serie obrazów uzyskiwanych w różnych warunkach ogniskowania soczewki obiektywowej. Techniki te różni optymalna grubość cienkiej folii (do mikroanalizy wskazane są nieco grubsze obszary niż do HREM) i dlatego istotnym byłoby określenie pola możliwego kompromisu. W rozwiązaniu tego problemu powinna być wdrożona w zeszłym roku w IMIM PAN nowa technika preparatyki, tzw. FIB, która umożliwia przygotowanie preparatów o w przybliżeniu równej grubości z dowolnie wybranego miejsca w mikro skali.

Opracowanie procedur kompleksowego opisu materiałów z wykorzystaniem technik mikroskopii transmisyjnej jest obecnie coraz ważniejszą kwestią, gdyż nowoczesne tworzywa inżynierii materiałowej charakteryzuje zwykle coraz bardziej skomplikowana budowa komórki elementarnej, a co za tym idzie rosnące trudności w odczytywaniu obserwacji wysokorozdzielczych.

Do badań planowane jest wykorzystanie materiałów testowych w postaci warstw nano-krystalitów metali o sieci A1 (sensory magnetooptyczne – we współpracy z ośrodkiem w Turynie, sieć KMM-NoE-wystąpienie o projekt badawczy w VII PR UE-Nanostructured materiale with tailored magneto-optical properties for novel sensor systems) oraz szkła metaliczne po częściowej krystalizacji (we współpracy z CNRS, Vitrii). W chwili obecnej część prac realizowanych jest w ramach projektu zamawianego: „Nowoczesne tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie”, zadanie: „Badania nanostruktury wytworzonych materiałów zaawansowanych za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej”. Jest także przedmiotem oferty do projektu zamawianego „Technologie modyfikacji warstwy wierzchniej zaawansowanych materiałów konstrukcyjnych”, zadanie: „Zaawansowana diagnostyka mikrostruktury, tekstury w skali mikro- i nanometrycznej oraz pomiary naprężeń własnych w aspekcie optymalizacji właściwości materiałów ze zmodyfikowanymi warstwami wierzchnimi”.

Rozwijanie metod zaawansowanej diagnostyki na mikroskopie transmisyjnym i skaningowym odniesieniu do materiałów katalitycznych są także wiodącym zagadnieniem wykonywanym przez IMIM PAN w sieci „Innowacyjne materiały katalityczne w ochronie ekosystemu” koordynowanym przez Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN.