Επικαλύψεις με νανοσύνθετα λεπτά υμένια και μεταλλικά γυαλιά για εφαρμογές αεροδιαστημικής
Creators: name: Λοτσάρη, Αντιόπη Ανδρέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Επικαλύψεις
Μεταλλικά γυαλιά
Κεραμικά
Νιτρίδια
Διάστημα
Coating
Metallic glass
Nitrides
Ceramic
Space

description: Ο σχεδιασμός υλικών για εφαρμογές αεροδιαστημικής περιορίζεται από διάφορους παράγοντες οι οποίοι οφείλονται στο ιδιαίτερο περιβάλλον λειτουργίας που είναι το διάστημα.Οι ακραίες συνθήκες, κυρίως όταν βρισκόμαστε σε συνθήκες χαμηλής τροχιάς γύρω από τη Γη, είναι μία πρόκληση για το σχεδιασμό υλικών αεροδιαστημικής. Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού του σύνθετου και πολύπλοκου συστήματος (το οποίο επηρεάζεται από τη θέση, την ώρα, την αποχή και την ηλιακή ακτινοβολία) είναι κυρίως το ατομικό οξυγόνο (ΑΤΟΧ), η υπεριώδης ακτινοβολία, σκουπίδια, συνθήκες υψηλού κενού, μετεωροειδείς, ηλεκτροστατικές φορτίσεις και μεγάλες θερμοκρασιακές μεταβολές που καταπονούν τα υλικά και υποβαθμίζουν τις ιδιότητές τους.Στην παρούσα εργασία, αφού καθορίσαμε το περιβάλλον λειτουργίας για τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο διάστημα, επικεντρωθήκαμε σε δύο κύριες κατηγορίες εφαρμογών. Πρώτον, μεταλλικές επικαλύψεις υπερ-υψηλής σκληρότητας, όπου χρησιμοποιούνται μεταλλικά γυαλιά τα οποία συνδυάζουν θερμομηχανικές αντοχές και δεύτερον, επικαλύψεις υψηλής σκληρότητας με τις οποίες θα γίνεται δυνατός ο έλεγχος της μηχανικής αντοχής και της οπτικής συμπεριφοράς των υποστρωμάτων. Με βάση αυτές τις εφαρμογές και τις συνθήκες του περιβάλλοντος λειτουργίας, ακολούθησε μία εκτενής βιβλιογραφική αναζήτηση των υποψήφιων υλικών. Στη συνέχεια, έχοντας καθορίσει τις επιθυμητές ιδιότητες των διαφόρων υλικών έγινε η τελική επιλογή υλικών για τις συγκεκριμένες εφαρμογές μέσω επιλογής υλικών, χρησιμοποιώντας κατάλληλο λογισμικό.Για τις επικαλύψεις υψηλής σκληρότητας με τις οποίες θα είναι δυνατός ο έλεγχος της συμπεριφοράς των υποστρωμάτων, επιλέχθηκε ως κατάλληλο υλικό επικάλυψης για υποστρώματα Si, το AlN με εγκλείσματα Ag, επειδή παρουσιάζει τις επιθυμητές ιδιότητες (π.χ. μηχανικές αντοχές, αντοχή σε θερμοκρασιακές μεταβολές, κατάλληλο δείκτη διάθλασης).Έτσι, παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα υμένια AlN με Ag, με τεχνική ανάπτυξης Pulsed Laser Deposition (PLD). Τα δείγματα που παρασκευάστηκαν διαφέρουν στο ποσοστό συγκέντρωσης του Ag (0-25%), χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής των στόχων, σε διάφορα πάχη υμενίων (25-130nm). Ο δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων έγινε με τεχνικές Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας. Επίσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα νανοσκληρομετρίας για το συσχετισμό της μικροδομής των νανοσύνθετων υμενίων με τις μηχανικές τους ιδιότητες. Εξετάζοντας τα δείγματα αυτά, βρέθηκε ότι αλλάζοντας τις συνθήκες ανάπτυξης μπορούμε να πετύχουμε τη δημιουργία υμενίων με τις επιθυμητές ιδιότητες (μηχανικές και οπτικές). Συγκεκριμένα βρέθηκε ότι αλλάζοντας το ποσοστό συγκέντρωσης του Ag στο στόχο, οδηγούμαστε σε μεγαλύτερο μέγεθος νανοσωματιδίων. Επίσης, η ταχύτητα περιστροφής των στόχων ανάπτυξης δεν επηρεάζει το μέγεθος των νανοσωματιδίων, αλλά την πυκνότητά τους. Τέλος, βρέθηκε ότι εισάγοντας μία «ζώνη» από μεγάλους νανοκρυστάλλους στη διεπιφάνεια (αλλάζοντας την ισχύ του λέιζερ που χτυπάει τους στόχους ανάπτυξης) μειώνουμε την σκληρότητα των υμενίων.Στην περίπτωση των μεταλλικών γυαλιών για εφαρμογές υπερ-υψηλής σκληρότητας, μεταλλικά γυαλιά Zr, Cu, Ti και Al επιλέχθηκαν λόγω τις πολύ καλής συμπεριφοράς τους σε συνθήκες που επικρατούν στο διαστημικό περιβάλλον.Χρησιμοποιώντας PLD, παρασκευάστηκαν μεταλλικά γυαλιά (a) Zr-Cu και (β) Al-Cu. Επίσης έγινε δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων με τεχνικές Ηλεκτρονικής Μικροσκοπιάς. Τα υμένια Zr-Cu αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας διαφορετικούς στόχους ανάπτυξης. Μεταλλικό γυαλί επιτεύχθηκε στην περίπτωση όπου γινόταν ταυτόχρονη εναπόθεση των συστατικών στο υπόστρωμα.Στην αντίθετη περίπτωση το αποτέλεσμα ήταν πολυκρυσταλλικό υμένιο. Επίσης, σε ένα από τα δείγματα είχαμε επιμόλυνση του στόχου ανάπτυξης με Ti. Το αποτέλεσμα ήταν αντί για καθαρό λεπτό υμένιο μεταλλικού γυαλιού, νανοσύνθετο μεταλλικό γυαλί με νανοκρυστάλλους φάσεων Zr-Cu-Ti, επειδή το Ti πιθανόν να καταλύει την ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων. Στην περίπτωση των υμενίων Al-Cu, πρέπει να σημειωθεί ότι από την βιβλιογραφική αναζήτηση για μεταλλικά γυαλιά με βάση το Al, γενικά δεν είναι σταθερά, κυρίως σε θερμοκρασιακές μεταβολές. Επιτεύχθηκε όμως η παρασκευή νανοσύνθετων υμενίων με νανοκρυστάλλους Al2Cu. Περεταίρω όμως διερεύνηση απαιτείται για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν τη σταθερότητα των υμενίων.
description: The design of space materials is limited by various factors concerning the special environmental conditions of space.The main challenge in spacecraft design is the extreme operation conditions, especially under low earth orbit (LEO) conditions which comprise a complex, dynamic system since its constituents vary with position, local time, season and solar activity. The main hazards of the natural LEO environment include UV radiation, atomic oxygen (ATOX) atmosphere, ionizing radiation, plasma, meteoroids, debris, high vacuum, thermal cycles and electrostatic charging and also big temperature variations that degrade the properties of materials.In the present thesis, the potential applications are intending to focus on two main categories of thin film coatings. Firstly, superhard coatings where metallic glasses are ideal because of their functionality would include high thermo-mechanical resistance and secondly, hard coatings with self-sensing capabilities; coatings in which metallic nanostructural inclusions would control mechanical strength and their optical behavior.For hard coatings with self-sensing capabilities, AlN with Ag inclusions was considered as the most suitable material for Si substrates, showing desired properties (mechanical and optical). Thin films of AlN with Ag inclusions were grown by using PLD. The specimen differ in Ag concentration (0-25%) on the target and different rotation speeds of the target were used. The film thickness varies from 25-130nm.The structural characterization was performed with Electron Microscopy techniques. Also nanoindentation experiments were perfomed for the determination of the film mechanical properties. The growth parameters can be tailored so that nanocomposite coatings with desired properties can be obtained. In particular, we find that the increase of the Ag concentration and /or the increase in the power of the laser source leads to nanocrystallites of larger sizes. On the other hand the target rotation speed, does not affect the size but the density of the nanocrystals. Smaller target rotation periods lead to fewer nanocrystals. The nanohardness of the films was very satisfactory and was found to depend critically on the size of the employed nanocrystals.With regard to metallic coatings, MGs of Zr, Cu, and Al, offer great potential due to the enhanced hardness (compared to crystalline metals), toughness (compared to ceramics) and very good thermal compatibility with metallic substrates (making them durable to thermal cycling). We have examined two principal alloy systems, the first being based on Zr and Cu, and the second on Al and Cu, grown by PLD. Again, the structural characterization was performed by using TEM techniques. The Zr-Cu thin films were produced by using different targets. It was found that metallic glass was achieved when there was simultaneously deposition of Zr and Cu on the substrate. On the opposite, when we had separate deposition the result was a polycrystalline thin film. Also, in one of the specimens was identified the presence of Ti due to contamination of the target. The result was instead of a metallic glass thin film, a nanocomposite thin film with Ti-Cu-Zr phases in a MG matrix. Last but not least, for the Al-Cu system we have to note that based on literature review, MGs based on Al in bulk form are not generally stable especially in thermal cycling. We have managed to obtain an amorphous matric with nanocrystalline Al2Cu inclusions. Further investigations are required to appreciate the stability of this coating.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)