Redukcja naprężenia konstrukcji nanomateriałów
Naprężenia szczątkowe występują we wszystkich materiałach – są to wewnętrzne naprężenia w obrębie materiału, zwykle wynikające ze sposobu, w jaki materiały te zostały wyprodukowane. „Jakość komponentów można znacząco poprawić poprzez odpowiednią kontrolę i ocenę naprężeń szczątkowych. Tym właśnie zajęli się naukowcy z projektu ISTRESS” – mówi Marco Sebastiani, specjalista w dziedzinie materiałów z włoskiego Uniwersytetu Roma Tre i koordynator projektu ISTRESS. W ramach zakończonego w 2016 roku, trwającego trzy lata projektu finansowanego przez UE opracowano metody analizy i modyfikowania tych naprężeń w skali nano. „Kontrolowanie naprężeń szczątkowych jest bardzo ważnym czynnikiem, który może poprawić niezawodność i wytrzymałość nanomateriałów” – wyjaśnia Sebastiani. Naprężenie szczątkowe wpływa na właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość, przyczepność, tarcie i zużycie. Dotyczy to zwłaszcza nanomateriałów, takich jak cienkie folie używane do produkcji elementów telefonów komórkowych i materiały medyczne wykorzystywane do produkcji protez kolan i bioder. „Rozkład naprężeń szczątkowych może mieć duży wpływ na materiały warstwowe – może na przykład prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia powłok barierowych i nadstopów w silnikach samolotowych” – mówi Sebastiani. „Zdolność do projektowania, pomiaru i kontroli naprężeń szczątkowych z dokładnością do submikronów może mieć ogromny wpływ na działanie takich elementów” – dodaje. Celem zespołu ISTRESS jest poprawa analizy naprężeń szczątkowych w nanoskali. Opracowane techniki są drogie i dlatego są często niedostępne dla przemysłu. Ten problem starano się rozwiązać w ramach projektu ISTRESS, opracowując nową, niezwykle precyzyjną metodę pomiaru naprężenia resztkowego charakteryzującą się rozdzielczością przestrzenną z dokładnością do submikrometra. Ta trzyetapowa metoda polega na usunięciu niewielkich, mierzonych w skali nano ilości testowanego materiału za pomocą skupionej wiązki jonów (FIB). Naprężenie szczątkowe mierzy się poprzez wykrywanie zmian kształtu (procesu znanego jako relaksacja) związanych z usuwaniem materiału za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) oraz cyfrowej korelacji obrazu (DIC) – metody analizy obrazu polegającej na śledzeniu zmian obrazu. Metoda FIB-SEM-DIC jest w pełni zautomatyzowana, dlatego całkowity pomiar może być wykonany w ciągu godziny. Do badania używa się mikroskopów zaprojektowanych i wyprodukowanych przez czeską firmę TESCAN (partnera projektu ISTRESS). Zespół skontaktował się z dwiema organizacjami normalizacyjnymi Europejskim Komitetem Normalizacyjnym (CEN) oraz Projektem Versailles dotyczącym Zaawansowanych Materiałów i Standardów (VAMAS) w celu ustalenia standardowej metodologii zbadanej na podstawie odpowiednich referencyjnych próbek przemysłowych. Metoda została już wykorzystana przez dwóch partnerów z branży do optymalizacji produkcji nowych materiałów. Niemiecka firma Bosch opracowała nową, wielowarstwową powłokę przeznaczoną do stosowania w zaworach układów wtryskowych silnika wysokoprężnego. Dzięki kontroli rozkładu naprężeń szczątkowych uzyskano znaczne zwiększenie odporności na zużycie elementów bez wzrostu kosztów produkcji. Francuski międzynarodowy koncern Thales dostosował i poprawił rozkład naprężeń w innowacyjnym systemie mikroelektromechanicznym przeznaczonym do systemów awioniki, dzięki czemu uzyskano lepszą wydajność bez dodatkowych kosztów. Ta nowa metoda umożliwia dostęp do metod optymalizacji konstrukcji, które wcześniej były nieekonomiczne. „Dla firm z sektora MŚP zakup mikroskopu FIB jest trudny, ale osiągnęliśmy wymagany poziom automatyzacji, który umożliwia firmom dostęp do tej metody poprzez wynajem mikroskopów FIB” – mówi Sebastiani. „Kilka europejskich firm spoza konsorcjum ISTRESS korzysta już z tej nowej metody do opracowywania własnych produktów”.
Słowa kluczowe
ISTRESS, materiały nanostrukturalne, cienkie folie, naprężenie wewnętrzne, naprężenie szczątkowe, skupiona wiązka jonów (FIB), skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), cyfrowa korelacja obraz (DIC)
