Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

Redukcja naprężenia konstrukcji nanomateriałów

W ramach finansowanego ze środków UE projektu ISTRESS opracowano nową metodę redukcji naprężenia szczątkowego, nieodłącznie związanego z materiałami nanostrukturalnymi, która powinna przyczynić się do poprawy niezawodności i wytrzymałości wytwarzanych nanomateriałów.
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)
Śledź nas na: RSS Facebook Twitter YouTube Zarządzany przez Urząd Publikacji UE W górę