Temat projektu: Opracowanie nowej metody nanoszenia kompozytowych powłok NiAl(CrB2) przez mechaniczne wbijanie proszku w podłoża metaliczne

Konkurs: PRELUDIUM 16

Projekt badawczy nr 2018/29/N/ST8/​02427

Kierownik projektu: Mgr Maciej Szlezynger

Głównym celem prezentowanego projektu jest wytworzenie warstw kompozytowych NiAl(CrB2) nową metodą polegającą na wbijaniu proszku w podłoże za pomocą uderzeń kul o dużej energii w planetarnym młynie kulowym. Powyższa metoda zapewni osadzanie warstw o konkurencyjnych parametrach względem natryskiwania plazmowego umożliwiającego otrzymanie grubych kompozytowych powłok na osnowie fazy międzymetalicznej, a także powinna zapewnić lepszą adhezję i wyższy gradient twardości pomiędzy warstwą a podłożem.

Wybór fazy ceramicznej CrB2 jako dodatku do warstw metalicznych NiAl jest spowodowany wysoką twardością CrB2 oraz zgodnością fizyko-chemiczną z NiAl na podłożu niklowym lub ze stali nierdzewnej osadzanych metodą natryskiwania plazmowego. Warstwy cieszą się dużą popularnością ze względu na ich dobre właściwości mechaniczne i wysoką odporność na utlenianie w podwyższonych temperaturach. W praktyce powłoki NiAl charakteryzują się stosunkowo niską odpornością na zużycie w wysokich
temperaturach. Warto zwrócić uwagę, że dodatek umacniającej fazy ceramicznej CrB2 dodany do warstw metalicznych NiAl umożliwi podniesienie ich właściwości mechanicznych zwłaszcza na zużycie w podwyższonych temperaturach.

Wykorzystanie właściwości procesu mechanicznej syntezy, tj. wbijania cząstek materiału w ścianki naczynia umożliwi naniesienie powłok nano-kompozytowych. Dodatkowo zastosowanie zaawansowanej metody przygotowania cienkich folii wycinanych skupioną wiązką jonów galu (FIB) otwiera drogę do charakteryzacji mikrostruktury techniką wysokiej rozdzielczości za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej.

Temat projektu: Optymalizacja parametrów procesu mikro-łukowego utleniania plazmowego celem wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych w powłokę wytworzoną na powierzchni technicznie czystego tytanu

Konkurs: SONATA 16

Projekt badawczy nr UMO-2020/39/D/ST8/01783

Kierownik projektu: Dr inż. Łukasz Maj

Powłoki antybakteryjne wytwarzane na powierzchni implantów stomatologicznych stanowią ważną grupę materiałów stosowanych w celu ograniczenia szkodliwego wpływu kolonii bakteryjnych na organizm człowieka. Istnieje wiele sposobów wytwarzania powłok przeciwdrobnoustrojowych, a za jedną z najbardziej obiecujących metod można uznać chemiczną obróbkę powierzchni poprzez utlenianie mikro-łukowe (MAO), pozwalające na wprowadzenie szerokiej gamy dodatków do materiału powłoki.

Prowadzone dotychczas badania miały na celu wprowadzenie do powłoki MAO metalicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak Ag, Cu czy Zn. Ze względu na potencjalny szkodliwy wpływ tych pierwiastków w wyższych stężeniach na organizm ludzki, wciąż poszukuje się bardziej neutralnych dodatków. Dlatego, dodatki ceramiczne wzbudziły duże zainteresowanie, nawet jeśli uzyskany efekt antybakteryjny jest znacznie słabszy. W literaturze brakuje danych obejmujących kompleksową analizę mikrostruktury i kluczowych właściwości mechanicznych (adhezja i naprężenia szczątkowe) powłok MAO z ceramicznymi dodatkami antybakteryjnymi. Głównym celem proponowanego projektu jest opracowanie w pełni kontrolowanego procesu wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak ZrO2, ZnO i CeO2 do powłoki MAO wytwarzanej na powierzchni technicznie czystego tytanu poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu i zaawansowane badania mikrostruktury powłok oraz ich właściwości mechanicznych.

Proces wytwarzania powłok MAO będzie prowadzony w zakresie wysokonapięciowym z jednoczesną kontrolą innych parametrów elektrycznych. Szczegółowa charakterystyka mikrostruktury wytworzonych powłok antybakteryjnych MAO zostanie przeprowadzona za pomocą skaningowej (SEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), poparta analizą składu fazowego i chemicznego. Przeprowadzone zostaną testy zarysowania w celu określenia wpływu rodzaju i stężenia dodatku antybakteryjnego na adhezję powłoki do podłoża. Pomiary naprężeń własnych zostaną podzielone na wyznaczanie naprężeń pierwszego rzędu zmodyfikowaną metodą sin2Ψ (przeprowadzoną za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego) oraz drugiego rzędu poprzez analizę przesunięcia linii Kikuchi (na podstawie dyfrakcji elektronowej CBED uzyskanej w mikroskopie TEM).

Innowacyjne podejście proponowanego projektu opiera się na szczegółowym opisie mechanizmów procesu wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak ZrO2, ZnO i CeO2 do powłoki MAO wytwarzanej na powierzchni technicznie czystego tytanu poddanego odkształceniu plastycznemu. Tak zaawansowane badania mikrostruktury i właściwości mechanicznych powłok antybakteryjnych są unikalne dla tego typu materiałów i pozwolą na lepszą kontrolę procesu MAO. Ponadto, po raz pierwszy zostanie przedstawiony wpływ silnej anizotropii technicznie czystego tytanu poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne wytworzonej powłoki. Badania zaproponowane w ramach tego projektu powinny pozwolić na wyjaśnienie kluczowych właściwości powłok MAO z ceramicznymi dodatkami antybakteryjnymi. Może to być podstawą do opracowania innowacyjnych implantów stomatologicznych spełniających wszystkie niezbędne wymagania: biokompatybilność, wysokie właściwości mechaniczne i antybakteryjne.

Wyniki pozwolą na uzyskanie pełnej kontroli nad procesem MAO celem wytwarzania powłok antybakteryjnych, mających duże znaczenie dla implantologii stomatologicznej pod kątem zapobiegania potencjalnym infekcjom.

Temat projektu: Otrzymywanie i charakterystyka nowych materiałów do perowskitowych ogniw słonecznych

Konkurs: OPUS 16

Projekt badawczy nr 2018/31/B/ST8/03294

Kierownik projektu: Dr hab. Marek Lipiński

Projekt poświęcony jest opracowaniu nowych materiałów, które zostaną wykorzystane w słonecznych ogniwach perowskitowych.
Ogniwa tego rodzaju należą do najnowszej technologii, która przed kilkoma laty dokonała przełomu w fotowoltaice czyli w dziedzinie zajmującej się konwersją energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

W projekcie opracowuje się metody wytwarzania zmodyfikowanego perowskitu halogenkowego oraz materiałów transportujących dziury (HTM). Syntezowane są perowskity o mieszanym składzie kationów metyloamoniowego, formamidynowego, guanidynowego lub cezowego o różnym udziale molowym. Prace te nawiązują do ostatnich kierunków badań, które są niezwykle obiecujące dla podniesienia stabilności perowskitu.

Projekt realizowany jest przez konsorcjum, w skład którego wchodzi Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk (Lider) i Uniwersytet Śląski w Katowicach.

Temat projektu: Kształtowanie obróbką laserową natryskanych zimnym gazem powłok cermetalowych zawierających smar stały

Konkurs: OPUS 13

Projekt badawczy nr 2017/25/B/ST8/02228

Kierownik projektu: Dr hab. inż. Anna Góral

Celem naukowym projektu jest określenie korelacji pomiędzy stopniem metastabilności struktury i jej rozdrobnienia w skali nano na charakterystykę zużycia powłok (Cr3C2-25(Ni20Cr))-(Ni-grafit) natryskanych zimnym gazem i poddanych laserowej obróbce powierzchniowej. Analizowane będą zjawiska występujące w warstwie wierzchniej oraz właściwości mechaniczne i tribologiczne powłok. Kolejnym istotnym problemem naukowym będzie analiza wpływu podłoża (stop Al 7075, stal nierdzewna) na adhezję powłoki do podłoża oraz kohezji pomiędzy cząsteczkami tworzącymi powłokę w warunkach dynamicznego odkształcenia plastycznego.

Przedstawiona koncepcja powłok natryskanych zimnym gazem z laserową obróbką powierzchniową stwarza nowe możliwości konstytuowania powłok (Cr3C2-25(Ni20Cr))-(Ni-grafit) posiadających zarówno właściwości smaru stałego, jak i wysoką twardość, odporność na zużycie oraz stwarzających możliwość pracy w podwyższonych temperaturach w zależności od zastosowanego podłoża. Natryskane zimnym gazem i poddane laserowej obróbce powierzchniowej powłoki na elementy ze stopu Al 7075 wpłyną na poprawę ich właściwości tribologicznych, natomiast natryskane na podłoża ze stali nierdzewnej dodatkowo umożliwią ich zastosowanie w temperaturach do 500 ℃. Celem aplikacyjnym projektu jest poprawa właściwości eksploatacyjnych par kinematycznych w zakresie obniżenia oporów tarcia oraz zwiększenia trwałości przy podwyższonych obciążeniach oraz temperaturach.