10. fejezet Nanokompozitok

Korszerő anyagok — korszerő technológiák

10. fejezet Nanokompozitok

10. NANOKOMPOZITOK Az anyagokkal szemben támasztott igényeket sokszor nem lehet egyetlen anyagfajtával (fémmel, kerámiával, polimerre) kielégíteni, hanem különféle anyagok társítása szükséges (lásd 9. fejezet Kompozitok). Míg a hagyományos kompozitokban a diszperz fázis (részecske, szál, lemez) jellemzı mérete (átmérı, vastagság) a mikrométeres tartományba esik, addig ez a méret a nanokompozitoknál 2-3 nagyságrenddel kisebb. A szokásos meghatározás szerint: a nanokompozitokban legalább az egyik komponens mérete legalább egy dimenzióban nanomérető (10-9 m). A méretek csökkenése ez esetben is egyes tulajdonságok javulását vagy újfajta tulajdonság kombinációkat eredményezhet. A nanokompozitok nagy változatosságot mutatnak a mátrix, illetve a diszperz fázis anyaga, a határréteg összetétele, valamint a diszperz fázis alakja és architektúrája szerint. A mátrixot tekintve jelenleg a polimer mátrixú nanokompozitok kutatása és fejlesztése [1-2] áll az érdeklıdés középpontjában. A fı cél a mechanikai tulajdonságok, elsısorban a szilárdság növelése a diszperz fázis segítségével. Lényegesen kevesebb munka foglalkozik a fém, illetve a kerámia [3-4] mátrixú nanokompozitokkal. A diszperz fázis morfológiáját illetıen elsısorban a szemcsés, illetve a rövid szálakat tartalmazó nanokompozitok kutatása és fejlesztése áll az elsı helyen, mivel a nanomérető erısítıszálakból napjainkban nem készíthetıek olyan hosszú szálak, mint például a hagyományos üveg- vagy szénszálakból. A nanokompozitok tulajdonságainak kialakításában döntı szerepe van a diszperz fázis és a mátrix közötti határrétegnek, melynek vastagsága esetenként összemérhetı a nanorészecskék méretével, illetve a közöttük levı távolsággal. A határréteg összes térfogata az egész nanokompozit térfogatának jelentıs hányadát alkothatja. A nanokompozitok elıállítása új kihívásokat jelent. A hagyományos kompozitok elıállítása gyakran két lépésben történik: a diszperz fázist és a mátrixot külön-külön állítják elı, majd újabb mővelettel egyesítik (ex-situ eljárások). A diszperz fázis méretének csökkentésével ez az út esetenként egyre nehezebben járható, mivel a nano mérető részecskék bekeverése és homogén eloszlatása a mátrixban egyre nehezebbé válik. Ezért számos olyan eljárást dolgoztak ki, melyeknél egyetlen mőveletben történik a diszperz fázis létrehozása és a kompozit elıállítása (in-situ eljárások) pl. mechanikai ötvözés, szol-gél eljárások, stb. A különbözı nanokompozitokat világszerte nagy erıkkel kutatják. Számos anyag van a kutatás vagy a fejlesztés szakaszában, másokból már kereskedelmi termék lett. Elterjedésük számos mőszaki és gazdasági tényezıtıl függ. Az egyik kulcskérdés a diszperz részecskék (pl. szén nanocsövek) árának alakulása. Tudományos téren a szerkezet-tulajdonság kapcsolat számos kérdése vár még tisztázásra. Jelen fejezet a mátrix anyaga szerint tárgyalja a nanokompozitok nagyon szerteágazó témakörét. Fıleg olyan példák bemutatásával foglalkozik, melyek gyakorlati megvalósítása elkezdıdött vagy a közeljövıben várható.

10/1



10.1 Polimer mátrixú nanokompozitok A mátrix különféle polimer lehet, a hıre lágyuló illetve a hıre keményedı polimereket egyaránt tanulmányozták. A diszperz fázis szempontjából a kutatások eddig leginkább a szén nanocsövekre és egyes réteges szilikátokra terjedtek ki. A szén nanocsövek alkalmazása azért ígéretes, mivel ezek rugalmassági modulusza a legnagyobb (kb. 1.7 TPa) az ismert anyagok közül és a szálerısítés szempontjából fontos alak-tényezı, az átmérı és a hossz aránya (aspect ratio, „karcsúság”) ugyancsak kedvezı [5-6]. Jellegzetes adatok: egyesfalú szén nanocsı (SWCNT) átmérıje 0.5 – 1.0 nm, hosszúsága 1-5 µm, szemben a hagyományos kompozitokban használt rövid üveg- vagy szénszálakkal, melyek átmérıje jellegzetesen 5-10 µm], hosszúsága pedig 50-100 µm. A szén nanocsövek kiváló mechanikai tulajdonságait nem könnyő a gyakorlatban kihasználni. Különleges alakjuk, a közöttük ható van der Walls erık inkább a részecskék agglomerációja (gömbszerő gubancok kialakulása), mint homogén eloszlatása irányába hat. Az elıállítás hımérséklete a legtöbb polimer esetén nem haladhatja meg a 250 °C-ot. A polimer olvadék megszilárdulásakor jelentıs térfogat csökkenés következik be, melynek eredményeképpen kialakuló belsı feszültségek roncsolhatják a szén nanocsöveket. Kevéssé ismert a nanocsövek és a mátrix közötti határréteg, a közöttük kialakuló kötés erıssége, pedig ennek ismerete alapvetıen fontos a terhelés átadás mechanizmusának megértése szempontjából. Számos megfigyelés áll rendelkezésre különféle polimer mátrix esetében, de ezekbıl csak kevés általános következtetés vonható le jelenleg. A polimer mátrix tulajdonságainak módosítása gyakran szervetlen vegyületek beépítésével történik (szerves-szervetlen hibrid kompozitok). Kialakításuk azért különleges, mivel kémiai szempontból nagyon különbözı szerves mátrix és szervetlen diszperz fázis társítása következik be.

PMMA mátrix és 5 súly% nanomérető alumíniumoxid szemcsét tartalmazó nanokompozit nyúlási diagramja. Az inzert a törési felületet mutatja [7].

10/2



A mőanyagok gyártásában régóta használnak szervetlen töltı anyagokat (filler) a polimer mátrix szilárdságának és szívósságának növelésére, a gyúlékonyság csökkentésére, vagy egyszerően a költségek mérséklésére. Az elızı ábra az egyébként rideg polimetilmetakrilát (PMMA) szívósságának növelésére mutat be példát, a töltıanyag 5 súly% nanomérető alumíniumoxid szemcse [7]. A polimer mátrixú hibrid nanokompozitok közül az agyagásvány diszperz részecskéket tartalmazók érdemelnek megkülönböztetett figyelmet. Az agyagásvány összefoglaló néven réteges szerkezető szilikátokat értünk. Jellegzetes képviselıjük a montmorillonit. Kristályrácsuk kétdimenziós rétegekbıl épül fel, melyek vastagsága1 nm körül van, oldalirányú kiterjedésük a 30 nm-tıl több µm-ig tart. Mindegyik réteg tetraéderesen koordinált Si atomokból (SiO2 tetraéderek) és oktaéderesen koordinált Al(OH)3 vagy Mg(OH)3 síkokból áll [8]. A rétegeket gyenge van der Walls erık kötik össze. A rétegek között kismérető kationok találhatók, melyek – megfelelı kémiai kezeléssel [9] - nagyobb mérető szerves kationokra cserélhetık ki. A csere eredményeképpen néhány nanométer vastagságú lemezkék keletkeznek. A részecskék és a polimer közötti kölcsönhatás erısségétıl függıen háromféle szerkezet jöhet létre [8]: Egy jellegzetes réteges szilikát (2:1 phyllosilicate) szerkezete.[8]

 Réteges szilikátok és a polimer kölcsönhatása révén kialakuló elrendezések [8]

Az (a) eset a hagyományos kompozitokra jellemzı, melyekben az agyagásvány részecske nem esik szét lemezkékre. A (b) esetben a réteges szerkezet fellazul és a szilikát rétegek közé egy (vagy néhány) polimer réteg ékelıdik be (interkalált elrendezıdés). A (c) esetben a kölcsönhatás erıs és a lemezkék egyenletesen oszlanak el a polimer mátrixban (delaminált elrendezıdés). A delamináció következtében minden részecske több száz vagy ezer lemezre hasad szét. Azonos térfogathányad esetén is drámai módon megnı a szervetlen/szerves határfelület nagysága, erısen lecsökken a lemezkék közötti távolság és a szerves molekulák nagy részének szervetlen szomszédja lesz. Mindez már aránylag kis (5 % vagy kisebb) térfogati hányad esetén is a mechanikai tulajdonságok jelentıs javulását eredményezheti [10]. Nagyobb térfogat arány esetén ez a tendencia nem folytatódik és ugyanennél a mátrixnál nagy mennyiségő (48 súly%) hagyományos üvegszál bevitelével a

10/3



mechanikai tulajdonságok lényegesen jobban javíthatók. A következı ábrán a nyúlási szilárdságot és a Young modulust hasonlítjuk össze a nylon, a 4 % agyagásványt tartalmazó nanokompozit és a 48 súly% üvegszálat tartalmazó hagyományos kompozit esetén:

A Young modulus függése a töltıanyag térfogat hányadától agyagásvány/nylon-6 nanokompozitban és hagyományos, üvegszállal erısített nylon-8 kompozitban [10]

Az agyagásványt tartalmazó nanokompozit elınye tehát a kismennyiségő töltıanyag esetén nyilvánul meg. Esetenként ez nagyon fontos lehet, hiszen a nagyobb mennyiségben bevitt töltıanyag a kompozit fajsúlyát növeli, a mátrix kedvezı tulajdonságát, a rugalmasságot vagy az átláthatóságot lerontja, a kompozitot rideggé teheti. Az elıállítás szempontjából is könnyebbséget jelent a kisebb térfogat-hányad mivel így a diszperz fázis a hagyományos technológiákkal bekeverhetı a polimer olvadékba (nagyobb mennyiségő töltıanyag a polimer olvadék viszkozitását jelentısen megnöveli). Az agyagásvánnyal erısített nylon-6 nanokompozitok fejlesztésében és alkalmazásában a TOYOTA cég játszott úttörı szerepet a múlt század kilencvenes éveiben. Napjainkban több más gépkocsi gyártó cég alkalmazza ezeket a nanokompozitokat egyes alkatrészekben [3]. A nyúlási szilárdság és a Young modulus öszszehasonlítása a nylon6 mátrix, a legjobb nylon6 4% tartalmú nanokompozit és egy hagyományos, nylon6 mátrixban 48 súly% üvegszálat tartalmazó kompozit esetén [10]

10/4



A polimer mátrixú kompozitok gyakorlati alkalmazásakor fontos szerepe lehet a kompozit elektromos vezetıképességének, mivel sok esetben lényeges követelmény az elektrosztatikus feltöltıdés elkerülése. Az elektromosan szigetelı polimer mátrix vezetıképességét elektromosan vezetı diszperz részecskék beépítésével lehet növelni. A részecskék térfogatarányának növelésével többé-kevésbé összefüggı, elektromosan vezetı, háromdimenziós hálózat hozható létre (perkoláció) [11].

A perkoláció kialakulása [11]

A diszperz részecskék alakja – elsısorban a hossz/átmérı arány – döntı módon meghatározza, hogy milyen térfogathányadnál alakul ki összefüggı hálózat (perkolációs küszöb).

A perkolációs küszöb függése a hossz/átmérı aránytól (P. Collins, J. Hagerstrom: http://www.fibrils.com/technology2.htm)

A nagy alaktényezıs (aspect ratio) szén nanocsövek már aránylag kis térfogathányadban is három-dimenziós hálózatot képeznek és a mátrix elektromos vezetıképességét jelentısen megjavítják. Szén nanocsıvel (a), korom és rézklorid keverékével (b), illetve csak korommal (c) töltött epoxigyanta elektromos vezetı-képessége a töltıanyag térfogati hányada függvényében [12].

10/5



Jelenleg többféle polimer mátrixú kompozit kapható a kereskedelemben, melyek szén nanocsöveket tartalmaznak a vezetıképesség javítása céljából. 10.2 Fémmátrixú nanokompozitok A fémmátrixú nanokompzitok széles skáláját tanulmányozták az elmúlt évtizedekben. Kedvezı eredményeket értek el egy különleges mikroszerkezet, az amorf mátrixban kristályos részecskéket tartalmazó szerkezeti és mágneses anyagok körében. A lágymágneses nanokompozitok kutatása több mint 15 éves múltra tekint vissza. 1988-ban a HITACHI METALS Co. kutatói arról számoltak be, hogy a korábbiaknál kedvezıbb tulajdonságú lágymágneses anyagot sikerült kifejleszteniük Nb és Cu ötvözıelemeket tartalmazó amorf Fe-Si-B szalagok részleges átkristályosításával [13]. Az anyagot késıbb FINEMET® márkanéven hozták kereskedelmi forgalomba. A késıbbi kutatások, melyekbe magyar kutatócsoportok is bekapcsolódtak [14], azonosították a kialakuló mikroszerkezet összetevıit és felderítették a kristályosítási folyamat mechanizmusát. A hıkezelés hatására az amorf mátrixban nanomérető FeSi kiválások alakulnak ki. A Cu elısegíti a kristálycsírák keletkezését, a Nb pedig gátolja a gócok növekedését [14].

®

A FINEMET típusú nanokomkozit mikroszerkezete: bal oldalon: a mátrix összetételének változása a Fe-Si kiválások környezetében, jobb oldal: a részleges kristályosodás folyamata [15]

A FINEMET® különleges mikroszerkezete kiváló lágymágneses tulajdonságokat eredményez: az eddigi legnagyobb permeabilitást (µ) és telítési indukciót (Js), ahogy ez a különbözı lágymágneses anyagok összehasonlításából kitőnik [15].

A permeabiltás és a telítési indukció kapcsolata néhány lágymágneses anyagcsaládnál [15].

10/6



A telítési mágnesezettség értékét tovább növelték Zr alapú amorf ötvözetek részleges átkristályosításával: így fejlesztették ki a NANOPERM® (Fe-Zr-Nb-Cu) és a HITPERM® (Fe-Co-Zr-Cu-B) lágymágneses ötvözet családokat. Elıállításuk lényegesen bonyolultabb a FINEMET-nél, a Zr nagy reakcióhajlama miatt, ezért kevéssé terjedtek el a gyakorlatban. A FINEMET ötvözetek sikere ráirányította a figyelmet a koercitív erı és a szemcseméret közötti összefüggés tanulmányozására tág szemcseméret tartományban. Herzer különbözı lágymágneses anyagok szemcseméretének és koercitív erejének összehasonlításakor azt találta, hogy a koercitív erı a szemcsemérettel maximum görbe szerint változik: a hagyományos lágymágneses polikristályos anyagoknál: Hc nı a szemcseméret csökkenésével, (1/D szerint), a nanométeres tartományban viszont nagyon meredeken (D6 szerint) csökken. Az összefüggést sikerült elméletileg is értelmeznie [16].

A koercitív erı függése az átlagos szemcsemérettıl különféle lágymágneses anyagok esetén [16].

Az amorf ötvözetek részleges átkristályosításával készített mágneses nanokompozitok a legkedvezıbb tulajdonságú lágymágneses anyagok közé tartoznak. Gyártásuk ipari méretekben folyik (Vacuumschmelze GmbH, HITACHI Metals Co) [17]. Ezeket az anyagokat fıleg a néhány száz kHz-es tartományban használják transzformátorként és egyéb induktív elemként. Hazánkban a MAGNETECH Hungaria Kft. gyárt induktív elemeket, importált alapanyagból. A Fe-Nd-B típusú keménymágneses ötvözetek tulajdonságait is sikerült speciális nanokiválások kialakításával javítani, de ezek alkalmazása nincs még olyan elırehaladt állapotban, mint a lágymágneses nanokompozitoké [18]. Az amorf mátrixban nanomérető kristályos kiválásokat tartalmazó mikroszerkezet elınyısnek bizonyult a mechanikai tulajdonságok szempontjából is. Inoe és munkatársai Al-Ni-Y, Al-Gd-Fe (általában Al-átmeneti fém-ritkaföldfém) ötvözetek részleges (20-30 %) átkristályosításával az amorf mátrixban 3-10 nm-es Al krisztallitokat alakítottak ki. Ezen speciális nanokompozitok szilárdsága, keménysége és kopásállósága lényegesen kedvezıbb volt, mint akár az egyfázisú amorf mátrixé vagy a hagyományos kiválásosan keményített Al ötvözeteké [19-22]. Az alkalmazás további távlatait nyitotta meg az a felismerés, hogy egyes tömbi amorf ötvözetek részleges átkristályosítása nanomérető intermetallikus kiválásokat eredményez az amorf mátrixban [22]. A módszer egyik változatánál további hıkezeléssel az amorf mátrixot teljesen átkristályosítják. Így olyan mikroszerkezetet

10/7



kapnak, mely 100 – 200 nm szemcséjő Al márixban 50 nm körüli szemcsemérető (kristályos) intermetallikus fázist tartalmaz. Szilárdsága 800-1000 MPa körül van, GIGASTM márkanéven forgalmazzák. A fémmátrixú nanokompozitok elıállításának másik gyakran használt módja a nagyenergiájú mechanikai ötvözés. Ezzel az eljárással fémes mártrixba (fém részecske belsejébe), nanomérető kerámia szemcsék építhetık be (lásd 4.5 Mechanikai ötvözés).

Nanokompozit szemcsék kialakulása nagyenergiájú mechanikus ötvözéskor [23].

Az ırlés kezdetén a fém és kerámia részecskék átmérıje a mikrométeres tartományba esik. Az ütközések következtében a fémes részecskékben képlékeny alakítás és törés következik be, a kerámia részecskékben viszont leginkább törés következik be. A kerámia részecskék mérete mindaddig csökken, amíg a részecske törési szilárdsága és az ütközések által okozott feszültség azonossá válik. A kerámia részecskék mérete nem csökken tovább; az átmérı ilyenkor a néhány nanométer – 100 nm mérettartományba esik [23]. A keletkezett nanokompozit szemcséket hagyományos porkohászati módszerekkel (gyakran HIP-pel) tömörítik. 10.3 Kerámia mátrixú nanokompozitok A kerámia mátrix maga általában nagy szilárdságú és nagy modulussal rendelkezik, ezért a kerámia mátrixú kompozitok fejlesztésénél nem annyira a szilárdság, inkább a kerámiák hátrányos tulajdonságának, a ridegség csökkentése lenne a cél. A hagyományos kerámia mátrixú kompozitokban jelentıs mértékben sikerült a mátrix szívósságát növelni, a mátrixhoz aránylag gyengén kötıdı kerámia vagy fém erısítıszálak bevitelével (lásd 9. Kompozitok). Újabban számos munka irányul annak tisztázására, hogy a nanoszerkezet kínál-e további fejlesztési lehetıségeket. A kerámia mátrixú nanokompozitokban különféle mikroszerkezetek alakíthatók ki. Eddig fıleg azokat a rendszereket vizsgálták, melyekbena mátrix szemcsemérete a mikrométerek, a diszperz fázis jellemzı mérete pedig a nanométeres tartományba esik (mikro-nano kompozitok). A nanorészecskék elhelyezkedhetnek a mátrix szemcsék belsejében (intra típus), a szemcsehatárokon (inter típus) vagy vegyesen (intra-inter típus) (következı ábra (a)). Lényegesen nehezebb olyan nanokompozitokat készíteni, melyekben a kerámia mátrix áll nanomérető szemcsékbıl (következı ábra (b)) [24].

10/8



A kerámia mátrixú nanokompozitok osztályozása: a) nano mérető részecskék különbözı mátrixban, b) nanorészecskék nanoszemcséjő mátrixban [24]

A mikro-nano típusú kompozitok körében leginkább a SiC részecskék hatását vizsgálták, elsısorban Al2O3 és Si3N4 mátrixban. Készítésükre a hagyományos porkohászati módszerek használhatók. Különös gondot kell fordítani a diszperz fázis homogén eloszlatására, a részecskék agglomerációjának elkerülésére. A zsugorítás legtöbbször HIP-peléssel történik (lásd 4. Porkohászat). Jellegzetes paraméterek: 1500 – 1600 °C, 20 – 40 MPa 5 % SiC esetén. Számos egyéb módszer leírása is megtalálható az irodalomban, ezek közül a mechanikai ötvözést és a szol-gél eljárásokat használják a leggyakrabban [3] Az eddigi kutatásokból kevés általánosítható következtetés vonható le a mechanikai tulajdonságokat illetıen: • a szilárdság sok esetben jelentısen, • a szívósság mérsékelten növekedett, • a kopással szemben kifejtett ellenállás általában javult.

Al2O3/SiC nanokompozit szilárdságának és szívósságának függése a SiC tartalomtól (különbözı szerzık mérései) [3]

10/9



A szilárdság változása több tényezı együttes hatásaként jelenik meg. Több esetben tapasztalták, hogy a diszperz fázis beépítésnek hatására a mátrix átlagos szemcsemérete csökken. Ez önmagában is a szilárdság növekedését eredményezheti (Hall-Petch effektus). A diszperz fázis hasonló mechanizmusok szerint javíthatja a szívósságot, mint amilyeneket a hagyományos kompozitoknál figyeltek meg. Jelenleg intenzív munka folyik kvantitatív modellek kidolgozására, az eredmények egységes értelmezése érdekében [24-26]. Számos szerzı vizsgálta a szén nanocsövek hatását a kerámia mátrix különbözı tulajdonságaira. A mechanikai tulajdonságokat illetıen nem alakult ki végleges álláspont. Egyértelmő összefüggéséket sikerült viszont találni a beépített szénszálak térfogat aránya és az elektromos vezetıképesség között. Eszerint a hosszú, elektromosan vezetı szálakból három dimenziós hálózat alakul ki (perkoláció), amely elısegíti az áram vezetését, aránylag kis térfogathányad (< 5 tf%) esetén is A vezetıképesség (σ) egyszerő hatványfüggvény szerint függ a szén nanocsövek térfogat arányától (ρ): σ = k(ρ – ρt)t ahol t = 1.74, ρt =0.64 (perkolációs küszöb) [27]. Az eddigi vizsgálatok bíztatóak az elektromosan nanokompozitok fejlesztése szempontjából.

vezetı

kerámia

mátrixú

10.4 Nanokompozit bevonatok Az elmúlt évtizedek rohamos technikai fejlıdése ráirányította a figyelmet a szerkezeti anyagok tribológiai tulajdonságainak kutatására, különleges felületi rétegek kidolgozására. A gyorsan mozgó felületek és a nagysebességő megmunkálások olyan rétegek kidolgozását tették szükségessé, melyek a kopásállóságot, kis súrlódást még extrém feltételek (magas hımérséklet, korrozív atmoszféra) esetében is biztosítják. A kopásállóság kvantitatív nehezen jellemezhetı tulajdonság, hiszen mindég legalább két anyag kölcsönhatásáról van szó, és mértéke a kölcsönhatás környezetétıl (száraz vagy nedves környezet), továbbá a mozgás jellegétıl (csúszó vagy egyéb súrlódás) is függ. A kopásállóság nem azonos a keménységgel, hiszen kialakításában egyéb - gyakran egymásnak ellentmondó - igényeket, fıleg a szívósságot továbbá a termikus és kémiai stabilitást is figyelembe kell venni. A keménység döntı szerepét persze nem lehet kétségbe vonni. A nanokristályos tömbi anyagoknál tapasztalt keménység növekedés intenzív kutatásokat indított el a tribológiai tulajdonságok gyakorlati értékesítése érdekében. Az csakhamar kiderült, hogy egyedül a szemcseméret csökkentése nem elegendı különlegesen kemény rétegek kialakítására. Ugyanakkor egyes többkomponenső, speciális mikroszerkezető felületi rétegekkel kiváló eredményeket lehet elérni. A továbbiakban a fejlesztés fıbb irányait vázoljuk fel és rámutatunk a minısítés nehézségeire is. Az olvasó további részleteket talál az újabban megjelent összefoglaló cikkekben [28-31]. Nanokristályos WC/Co bevonatok.- Az ipar régóta használ WC/Co szemcsés kompozitokat tömbi anyag formájában, különösen megmunkáló szerszámokban. A WC szemcsék biztosítják a nagy keménységet, a kobalt pedig a szívósságot. A két komponens arányának változtatásával a kívánt keménység/szívósság arány beállítható.

10/10



A hagyományos keményfémekben a WC szemcsemérete jellegzetesen néhány µm körüli érték. A korai vizsgálatok igazolták, hogy a szemcseméret csökkentésével a keménység jelentısen növelhetı. A keményfém réteg kialakításának elsı lépése: nanoszemcsés WC/Co por elıállítása (gyakran mechanikai ötvözéssel). A megfelelıen elıkészített (részben agglomerált) port ezt követıen általában termikus szórással, nagysebességő oxygén tartalmú lánggal (high velocity oxygen fuel) viszik fel a szubsztrát felületére. Jelenleg talán ez az eljárás áll legközelebb az ipari megvalósításhoz [30]. Többrétegő bevonatok.- Kedvezı keménységet lehetett elérni periódikusan változó felületi rétegszerkezetekkel is. Az egyes rétegek vastagsága 5 – 10 nm között változott. Különösen kedvezı eredmények születtek fémnitrid/fém, illetve különbözı fémnitridek rétegszerkezeteiben, pl. TiN/Nb, TiN/VN, ZrN/CNx kombinációkban. A keménység értéke meghaladta a szuperkemény rétegekre jellemzı 40 GPa feletti értékeket. A rétegek tulajdonságai viszont erısen függtek az egyes rétegek vastagságától és stabilitásuk sem bizonyult kielégítınek. Amorf mátrixban nanoszemcsék.- Jelenleg azok a szuperkemény felületi rétegek tőnnek a legkedvezıbbnek, melyekben nanoméretı részecskék vannak amorf mátrixba beágyazva. Ilyen rétegek CVD módszerekkel vagy CVD eljárásokkal alakíthatók ki. A vizsgált rendszerek közül kitőnnek a nanokristályos TiN/ amorf BN és a nanokristályos TiN/ amorf TiBx/amorf BN bevonatok. A nanokristályos szemcsék átmérıje 10 – 40 nm között van. Keménységük eléri a 45 – 50 GPa-t és termikus stabilitásuk is megmarad 900 °C-ig [31]. Nem egyszerő feladat a vékony (néhány µm-es), nagyon kemény felületi bevonatok keménységének meghatározása. Erre a célra a felületi alagút mikroszkópoknál használt elvet hasznosító, ú.n. nanoindentitás módszereket fejlesztettek ki. Az egyes szerzık által használt mérési módszerek egymástól nagymértékben különböznek, ami megnehezíti az eredmények összehasonlítását.

10/11



Irodalom [1]

R.A. Vaia and H.D. Wagner: Framework for nanocomposites, Materials Today 7 (2004) 32-37

[2]

H. Fischer: Polymer nanocomposites: from fundamental research to specific applications, Mater. Sci. Eng. C 23 (2003) 763-772

[3]

M. Sternitzke: Review: Structural ceramic nanocomposites, J. Eur. Ceram. Soc. 17 (1997) 1061-1082

[4]

B. Derby: Ceramic nanocomposites: mechanical properties, Current Opinion in Solid State and Materials Science 3 (1998) 490-495

[5]

Kin-Tak Lau, D. Hui: The revolutionary creation of new advanced materials – carbon nanotube composites, Composites B 33 (2002) 263-277

[6]

E.T. Thostenson, Zhifeng Ren, Tsu-Wei Chou: Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review, Comp. Sci. Technol. 61 (2001) 1899-1912

[7]

R.W. Siegel, S.K. Chang, B.J. Ash, J. Stone, P.M. Ajavan, R.W. Doremus, L.S. Schadler: Mechanical behavior of polymer and ceramic matrix composites, Scripta mater. 44 (2001) 2061-2064

[8]

M. Alexandre, P. Dubois: Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class of materials, Mater. Sci. Engr. R 28 (2000) 1-63)

[9]

G. Kickelbick: Conceps for the incorporation of inorganic building blocks into organic polymers on a nanoscale, Prog. Polym. Sci. 28 (2003) 83-114

[10] Fenegge Gao: Clay/polymer composites: the story, Materials Today 7 (2004) 50-55 [11] D.T. Colbert: Single-wall nanotubes: a new opinion for conductive plastics and engineering polymers, Plastics Additives & Compounding 5 (2003) 18-25 [12] J. Sandler, M.S.P. Shaffer, T. Prasse, W. Bauhofer, K. Schulte, A.H. Windle: Development of a dispersion process for carbon nanotubes in an epoxy matrix and the resulting electrical properties, Polymer 40 (1999) 5967-5971 [13] Y. Yoshizawa, S. Oguma and K. Yamauchi: New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure, J. Appl. Phys. 64 (1988) 6044-46 [14] A. Lovas, L.F. Kiss, B. Varga, P. Kamasa, I.Balogh and I. Bakonyi: Survey of magnetic properties during and after amorphous-nanocrystalline transformation, J. Phys. IV France 8 (1998) Pr2-291-298 [15] M.E. McHenry, D.E. Laughlin: Nano-scale materials development for future magnetic application, Acta mater. 48 (2000) 223-238 [16] G. Herzer: Soft magnetic nanocrystalline materials, Scripta Metall. Mater. 33 (1995) 1741-1756 [17] J. Petzold: Applications of nanocrystalline softmagnetic materials for modern electronic devices, Scripta mater. 48 (2003) 895-901 [18] G.C. Hadjipanayis: Nanophase hard magnets, J. Magn. Magn. Mater.200 (1999) 373-391

10/12



[19] A. Inoue: Amorphous, nanoquasicrystalline and nanocrystalline alloys in Albased systems, Prog. Mater. Sci. 43 (1998) 365-520 [20] A. Inoue, H. Kimura: High-strength Al-based nanostructure alloys, Current Opinion in Solid State and Mater. Sci. 2 (1997) 305-310 [21] A.L. Greer: Partially or fully devitrified alloys for mechanical properties, Mater. Sci. Eng. A304-306 (2001) 68-72 [22] A. Inoue: Bulk amorphous and nanocrystalline alloys with high functional properties, Mater. Sci. Eng. A304 (2001) 1-10 [23] D.L. Zhang: Processing of advanced materials using high-energy mechanikal milling, Prog. Mater. Sci. 49 (2004) 537-560 [24] J.D. Kuntz, G.-D. Zhan, A.K. Mukherjee: Nanocrystalline-matrix ceramic composites for improved fracture toughness, MRS Bulletin Jan. 2004 22-27 [25] H. Awaji, S.-M. Choi, E. Yagi: Mechanisms of toughening and strengthening in ceramic-based nanocoposites, Mech. Mater. 34 (2002) 411-422 [26] S.-M. Choi, H. Awaji: Nanocomposites-a new material design concept, Sci. Techn. Adv. Mater. 6 (2005) 2-10 [27] S. Rul, F. Lefévre-schlick, E. Capria, Ch. Laurent, A. Peigney: Percolation of single-walled carbon nanotubes in ceramic matrix composites, Acta Mater. 52 (2004) 1061-1067 [28] J. Musil: Hard and superhard nanocomposite coatings, Surf. Coat. Techn. 125 (2000) 322-330 [29] R.A. Andrievski: Superhard materials based on nanostructured high-melting point compounds: achievements and perspectives, Int. J. Refr. Metals & Hard Materials 19 (2001) 447-452 [30] J. He, J. M. Schoenung: A review on nanostructured WC-Co coatings, Surf. Coat. Techn. 157 (2002) 72 – 79 [31] P. Karvankova, M.G.J. Veprek-Heijman, O. Zindulka, A. Bergmaier, S. Veprek: Superhard nc-TiN/a-BN and nc-TiN/a-TiBx coatings prepared by plasma CVD and PVD: a comparative study of their properties, Surf. Coat. Technol. 163-164 (2003) 149-156 További irodalom: Pulickel M. Ajayan, Linda S. Schadler, Paul V. Braun: Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH, 2003 239 pp, 3527-30359-6

10/13

10. fejezet Nanokompozitok

Recommend Documents