2. Analiza stanu wiedzy

Transkrypt

1 2. Analiza stanu wiedzy W niniejszym rozdziale pracy przedstawiono analiz stanu wiedzy, dotycz cej ogólnych trendów rozwojowych i najbardziej perspektywicznych obszarów in ynierii powierzchni materia ów. W toku prac dokonano, na podstawie analizy wiatowej i krajowej literatury, pe nego przegl du ponad 500 technologii szczegó owych in ynierii materia ów i ich licznych odmian technologicznych, w odniesieniu do wszystkich podstawowych grup materia ów in ynierskich. Rezultaty tych studiów literaturowych wsparte wynikami uprzednio wykonanych bada w asnych [90-98, ] zamieszczono w odr bnym kilkusetstronicowym opracowaniu ksi kowym [99]. W zwi zku z tym, w niniejszej pracy zestawiono jedynie w syntetyczny sposób ogólny pogl d na temat roli in ynierii powierzchni we wspó czesnej in ynierii materia owej i in ynierii wytwarzania, przy za o eniu e wszelkie szczegó y i rozwini cie tej koncepcji na podstawie istniej cego stanu wiedzy zosta y opisane w wymienionej publikacji [99]. Podstawowa grupa zagadnie in ynierii powierzchni materia ów in ynierskich dotyczy kszta towania struktury i w asno ci warstw powierzchniowych przez wytworzenie warunków termodynamicznych do przebiegu zjawisk strukturalnych i/lub przemian fazowych, wp ywaj cych na w asno ci warstw powierzchniowych, jak równie przez nanoszenie pokry i pow ok zapewniaj cych wymagane w asno ci produktów lub ich elementów. Spe nienie postulatu dostarczenia materia ów na danie najcz ciej nie jest w istotny sposób zwi zane z zapewnieniem odpowiednich w asno ci rdzenia, przenosz cego wy cznie obci enia mechaniczne, lecz g ównie polega na wdro eniu zawartej w nim integralnie i niejako domy lnie idei odpowiedniego ukszta towania w asno ci warstwy powierzchniowej [5-8, 73-77]. Metody in ynierii powierzchni s tak e cz sto stosowane do uzupe niania ubytków w eksploatowanych d ugotrwale elementach maszyn i urz dze, a tak e w procesach tzw. remanufacturingu do kszta towania struktury i w asno ci warstw powierzchniowych ponownie przerabianych elementów konstrukcyjnych [176]. Nale y ponadto zauwa y, e w trakcie eksploatacji produktów i ich elementów w asno ci warstw powierzchniowych ulegaj zwykle znacznej degradacji, w wyniku zmian struktury w tym obszarze [ ], spowodowanych m.in. korozj metali i stopów, zu yciem trybologicznym, zu yciem i niszczeniem narz dzi skrawaj cych i zu yciem narz dzi do pracy na gor co [179]. Mechanizmy zu ycia nale y uwzgl dnia ju na etapie projektowania materia owego i technologicznego produktów, 2. Analiza stanu wiedzy 19

2 Open Access Library Volume 1 (7) 2012 traktuj c je jako czynniki analogiczne do obróbki powierzchniowej, gdy w istocie wp ywaj one decyduj co na jej struktur i w asno ci, z regu y jednak s to zmiany niekorzystne i nasilaj ce si z up ywem czasu eksploatacji produktu [74, 78, 89] Ogólna klasyfikacja technologii obróbki powierzchni materia ów in ynierskich Warstwy powierzchniowe mo na sklasyfikowa jako warstwy wierzchnie, ograniczone powierzchni obrabianego elementu i obejmuj ce obszar materia u o strukturze i w asno ciach ró ni cych si od w asno ci rdzenia, albo jako pow oki, b d ce warstw materia u najcz ciej ró ni cego si sk adem fazowym, chemicznym i struktur od rdzenia, naniesione trwale na powierzchni pod o a. Metody wytwarzania warstw powierzchniowych, w zale no ci od rodzaju zjawisk przebiegaj cych podczas tych procesów, mo na podzieli na nast puj ce grupy, pozwalaj ce na uzyskanie odpowiedniego rodzaju warstwy powierzchniowej o zró nicowanej grubo ci i przeznaczeniu [74, 75, 99]: mechaniczne, zwi zane z umocnieniem warstwy powierzchniowej na zimno, b d otrzymaniem pow oki ochronnej na zimnym pod o u, cieplno-mechaniczne, wykorzystuj ce czne oddzia ywanie ciep a i nacisku, cieplne, powsta e w wyniku zmiany struktury materia u przez oddzia ywanie ciep a zarówno w stanie sta ym, jak i przez zmian stanu skupienia ze sta ego w ciek y lub odwrotnie, cieplno-chemiczne, utworzone w wyniku cznego oddzia ywania ciep a i o rodka aktywnego chemicznie, chemiczne i elektrochemiczne ukonstytuowane przez osadzanie materia u metalowego lub niemetalowego na powierzchni elementu, b d w wyniku usuwania uszkodzonej warstwy powierzchniowej, zestalania cieplno-chemicznego substancji b onotwórczych lub sieciowania ywic chemoutwardzalnych, fizyczne, osadzone jako pow oki z udzia em procesów adhezji i dyfuzji. Stosuj c jako kryterium uwarunkowania technologiczne, warstwy powierzchniowe mo na podzieli w sposób podany w tablicy 1 i na rysunku 1. Dokonuj c w ramach prac w asnych [90-98, , ] analizy aktualnego stanu rozwoju technologii in ynierii powierzchni opisanych w literaturze, na tle makro- i mikrootoczenia, sklasyfikowano te technologie w dziesi ciu arbitralnie ustalonych grupach, 20 A.D. Dobrza ska-danikiewicz

3 Tablica 1. Klasyfikacja warstw powierzchniowych ze wzgl du na uwarunkowania technologiczne [99] Rodzaje mo liwych warstw powierzchniowych lub procesów zachodz cych na powierzchni pod o a jednowarstwowa wielofazowa amorficzna wielowarstwowa gradientowa nanokrystaliczna multiwarstwowa (>100 warstw) przemiany fazowe warstwy powierzchniowej pod o a kompozytowa zmiana sk adu chemicznego warstwy powierzchniowej pod o a hybrydowa procesy fizyczne na powierzchni pod o a Rysunek 1. Schematyczne przyk ady warstw powierzchniowych oraz procesów zachodz cych na powierzchni pod o a ze wzgl du na uwarunkowania technologiczne 2. Analiza stanu wiedzy 21

4 Open Access Library Volume 1 (7) 2012 przypisanych poszczególnym fazom cyklu ycia technologii, stosuj c dziesi ciostopniow uniwersaln skal stanów wzgl dnych, i zakwalifikowuj c do dalszych bada, równie materia oznawczych o charakterze uzupe niaj cym, tylko technologie najlepiej rokuj ce, przy czym szczególn uwag po wi cono technologiom awangardowym i skrajnie rozwojowym. Do grupy tej nale : stale rozwijana koncepcja funkcjonalnych i narz dziowych materia ów gradientowych (ang.: functionally graded materials FGM; tool graded materials TGM) [96, , ]; nowe nanotechnologie kszta towania pow ok o grubo ci kilku mikrometrów [ ], z o onych niejednokrotnie z kilkudziesi ciu do kilkuset warstw, w tym pokrywanie wielowarstwowe i gradientowe metodami fizycznego (ang.: Physical Vapour Deposition PVD) i chemicznego osadzania z fazy gazowej (ang.: Chemical Vapour Deposition CVD), ale tak e pokrycia kompozytowe o osnowie polimerowej [ ] wzmacniane nanorurkami w glowymi lub mineralnymi [152, ]. Szerokie perspektywy rozwojowe maj tak e technologie hybrydowe, zapewniaj ce mo liwie najlepsze w asno ci kolejno na siebie na o onych warstw powierzchniowych [80, ], w wyniku po czenia niektórych klasycznych metod kszta towania struktury i w asno ci warstw powierzchniowych (np. obróbki cieplno-chemicznej) z technologiami awangardowymi (np. stopowaniem, przetapianiem lub wtapianiem laserowym, formowaniem wtryskowym proszku, a tak e fizycznym osadzaniem z fazy gazowej). Na uwag zas uguj równie : wytwarzanie struktur warstwowych m.in. ró nymi metodami obróbki cieplno-chemicznej [9, 11-12, 14-15, 38, , ]; przez wytworzenie materia ów kompozytowych [84, 215]; przez pokrywanie jednowarstwowe metodami fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej oraz napawanie lub natryskiwanie twardych warstw metod natryskiwania cieplnego [216]. Bardzo perspektywiczne s tak e technologie laserowej obróbki powierzchniowej (w tym stopowanie, wtapianie i napawanie laserowe, zapewniaj ce bardzo wysokiej jako ci po czenia z pod o em, oraz wytwarzanie warstw gradientowych o wysokiej odporno ci korozyjnej i na zu ycie, wysokiej aroodporno ci i twardo ci, ci gliwo ci, plastyczno ci i wytrzyma o ci zm czeniowej) [62, 217, 218], jak równie teksturyzacja powierzchni elementów ogniw fotowoltaicznych [95, 174, 219] i nanoszenie pow ok ceramicznych [51, 220], m.in. na pod o e z tytanu i jego stopów [221]. U podstaw rozwoju funkcjonalnych materia ów gradientowych, o w asno ciach zmieniaj cych si skokowo lub w sposób ci g y wraz z po o eniem, dzi ki zmianom sk adu chemicznego, sk adu fazowego, struktury lub uporz dkowania atomów w sieci krystalicznej, sta y wiatowe prace [ , ], których kontynuacj i rozwini cie stanowi 22 A.D. Dobrza ska-danikiewicz

5 publikacje krajowe [ ]. W celu osi gni cia wymienionych efektów strukturalnych zosta o wykorzystanych wiele technologii, w tym metalurgia proszków [142, ], metody spawalnicze [232] i obróbka laserowa [61-62, 143, 217]. Popraw w asno ci, przez po czenie bardzo du ej odporno ci powierzchni narz dzi na zu ycie cierne z du ci gliwo ci rdzenia, zapewniaj gradientowe materia y narz dziowe (TGM), jako, niezale na i ju coraz cz ciej uwa ana za oddzieln, grupa materia ów in ynierskich rozwini ta analogicznie do funkcjonalnych materia ów gradientowych (FGM), chocia nadal jedynie w nielicznych przypadkach stosowana w praktyce przemys owej [74-75, 233]. Warstwy powierzchniowe gradientowych materia ów narz dziowych o zmieniaj cym si sk adzie chemicznym lub fazowym, w zale no ci od technologii wytwarzania, maj grubo m Ogólny przegl d metod technologicznych kszta towania struktury i w asno ci warstw powierzchniowych materia ów in ynierskich Jedna z podstawowych grup technologii wytwarzania gradientowych materia ów narz dziowych polega na nanoszeniu pow ok gradientowych z fazy gazowej (PVD), o grubo ci 3-5 μm i ci g ej zmianie jednego lub kilku jej sk adników od pod o a do powierzchni [126], na pod o e z materia ów narz dziowych konwencjonalnych [234] lub spiekanych [60, 63, 231, 233, 235]. Pow oki PVD niekiedy tylko gradientowe stosowane s nie tylko do pokrywania materia ów narz dziowych [ ], lecz tak e w budowie maszyn, w przemy le samochodowym, lotniczym, kosmicznym, budowlanym, w energetyce i mieszkalnictwie, optyce, mikroelektronice i biomedycynie [32, 94, 172, 241], w tym na implanty metalowe [47, 242], w celu zwi kszenia trwa o ci, ograniczenia szybko ci zu ycia, odporno ci w wysokiej temperaturze, zmniejszenia wspó czynnika przewodno ci cieplnej i/lub ograniczenia procesów korozyjnych [233, ]. Wyró nia si nast puj ce rodzaje pow ok PVD: jednowarstwowe proste oraz z o one, w tym wielosk adnikowe o podsieci jednego pierwiastka wype nionej cz ciowo innym pierwiastkiem, najcz ciej jako ci g e roztwory sta e w glików i azotków, wielowarstwowe, wytwarzane w wyniku nanoszenia na siebie kolejno warstw ró nych materia ów, najcz ciej pow ok prostych o ró nych w asno ciach [246], wielofazowe, stanowi ce mieszanin ró nych faz, charakteryzuj ce si du odporno ci na zu ycie cierne, 2. Analiza stanu wiedzy 23

6 Open Access Library Volume 1 (7) 2012 gradientowe, jako odmiana pow ok wielowarstwowych o sk adzie chemicznym i w asno- ciach zmieniaj cych si w sposób ci g y na grubo ci [236, 237], w tym odporne na zu ycie cierne (ang.: gradient wear-resistant coatings GWRC) i spe niaj ce rol bariery termicznej (ang.: gradient thermal barrier coatings GTBC), kompozytowe, jako odmiana pow ok wielofazowych, w których w jednej fazie ci g ej jest zdyspergowana druga faza, które s metastabilne o po czonych w asno ciach, charakteryzuj cych materia y o wi zaniach metalicznych i kowalencyjnych, powsta ych w wyniku umacniania roztworowego pow ok. Wysokotemperaturowe techniki nanoszenia pow ok z fazy gazowej (PVD) zapewniaj lepsz jako po czenia dyfuzyjno-adhezyjnego pow oki z pod o em. Procesy PVD mo na podzieli na techniki klasycznego nanoszenia par metali w pró ni lub w atmosferze gazu niezjonizowanego na czystym i zimnym pod o u, gdy pary metalu o niskiej energii osiadaj na pod o u tworz c pow oki o ma ej g sto ci, znacznym zanieczyszczeniu i s abej przyczepno ci, oraz techniki jonowego nanoszenia pró niowego, najcz ciej reaktywne, na zimnym lub podgrzanym czystym pod o u, gdy pod o e bombardowane jest strumieniem jonów o energii powoduj cej rozpylanie i w konsekwencji p ytk implantacj, tworz c tym samym pow oki o du ej g sto ci, bez zanieczyszcze i o dobrej przyczepno ci do pod o a. Bardzo dobra przyczepno pow ok PVD do pod o a jest powodowana adhezj i dyfuzj pierwiastków tworz cych pow oki w kierunku pod o a oraz pierwiastków znajduj cych si w materiale pod o a (np. w gla i azotu) w kierunku przeciwnym, czyli do pow oki. Równoczesne wyst powanie adhezji i dyfuzji powoduje, e mo liwe jest uzyskanie hybrydowej gradientowej warstwy powierzchniowej o grubo ci ca kowitej do 100 μm na pod o u, np. ze stali szybkotn cych lub narz dziowych stali stopowych, z u yciem technologii PVD poprzedzonej klasyczn obróbk cieplno-chemiczn, np. azotowaniem plazmowym [14-15, 213]. Gradientowe materia y narz dziowe s równie wytwarzane w wyniku chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), gdy na powierzchni obrabianego produktu powstaj pow oki w glików i azotków metali ze sk adników atmosfery gazowej, z o onej z lotnego halogenku pierwiastka dyfunduj cego oraz w glowodoru, azotu, wodoru lub gazu oboj tnego, np. argonu, aktywowanych cieplnie lub plazm, przy udziale sk adników pod o a, w szczelnym reaktorze, w wyniku niejednorodnych katalizowanych chemicznie i fizycznie reakcji na powierzchni pod o a, w temperaturze ok C i przy ci nieniu , Pa. Wysoka temperatura procesu CVD powoduje ograniczenie zakresu jego zastosowa na p ytki z w glików 24 A.D. Dobrza ska-danikiewicz

7 spiekanych lub spiekanych materia ów ceramicznych historycznie najwcze niej pokrywanych pojedynczymi warstwami, nast pnie podwójnymi, a obecnie najcz ciej pow okami wielowarstwowymi [18, 247]. W gliki spiekane pokrywane wielowarstwowo charakteryzuj si znacznie wi ksz odporno ci na cieranie w stosunku do gatunków konwencjonalnych, przy nieznacznie jedynie pogorszonej ci gliwo ci [238, ]. Materia y gradientowe, w tym narz dziowe, ale równie z pod o em ze stopów metali lekkich magnezu lub aluminium, mog by wytwarzane z wykorzystaniem odpowiednio laserowego przetapiania, wtapiania i stopowania [ ]. Obrabiane w ten sposób materia y ulegaj umocnieniu przez jeden lub kilka dzia aj cych synergicznie mechanizmów. Jednym z nich jest krystalizacja i rozdrobnienie struktury warstwy powierzchniowej przetapianej laserowo. Przyk adowo, stal poddana hartowaniu przetopieniowemu po zahartowaniu ze stanu ciek ego charakteryzuje si morfologi dendrytyczn i struktur martenzytyczn, a listwy martenzytu s 1,5- do 2-krotnie mniejsze ni po hartowaniu konwencjonalnym [250]. Inne mechanizmy, powoduj ce umocnienie materia ów w wyniku obróbki laserowej, obejmuj utwardzanie dyspersyjne warstwy powierzchniowej przez wtopione lub cz ciowo rozpuszczone cz stki wprowadzanych faz, wzbogacenie warstwy powierzchniowej w dodatki stopowe, pochodz ce z rozpuszczaj cych si faz, oraz utwardzanie wydzieleniowe przez nowo wydzielone fazy, np. w gliki w przypadku stali narz dziowych i tradycyjnych w glikostali [252]. Materia ów gradientowych dotycz tak e nowe kierunki laserowego kszta towania struktury i w asno ci warstw powierzchniowych stopów metali lekkich, m.in. wielosk adnikowych stopów magnezu o ma ej g sto ci, b d cych przedmiotem zainteresowania ró nych ga zi przemys u, m.in. lotniczego, samochodowego, energetycznego, elektronicznego, chemicznego, nuklearnego, sprz tu sportowego, urz dze biurowych i gospodarstwa domowego. Do atrakcyjnych mo liwo ci technologicznych nale y obróbka powierzchni tych stopów zapewniaj ca utworzenie warstwy o grubo ci do ok. 0,5 mm, przetapianej laserowo i ulegaj cej nast pnie szybkiej mikro- lub nanokrystalizacji, co pozwala uzyska struktur i w asno ci analogiczne do otrzymywanych metod szybkiego krzepni cia (ang.: Rapid Solidification Processing RSP). Laserowa obróbka powierzchniowa tych stopów umo liwia równie wtapianie dyspersyjnych cz stek ceramicznych w przetapian warstw powierzchniow, co zapewnia jej w asno ci odpowiadaj ce materia om kompozytowym (ang.: Metal Matrix Composites MMCs), np. o osnowie stopów magnezu [169, 254, 255], i znacz co zwi ksza trwa o produktów wytworzonych z wykorzystaniem tej technologii [170, ]. 2. Analiza stanu wiedzy 25

8 Open Access Library Volume 1 (7) 2012 Inn obiecuj c technologi laserow, wymagaj c u ycia laserów ma ej mocy, jest teksturowanie krzemu polikrystalicznego wykorzystywanego do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Laserowe teksturowanie stosuje si w celu rozwini cia powierzchni krzemu polikrystalicznego w uk adzie równoleg ym lub siatkowym. W celu osi gni cia oczekiwanych w asno ci elektrycznych ogniw fotowoltaicznych wytworzonych z krzemu, konieczne jest poddanie steksturyzowanych próbek mokremu trawieniu w roztworach alkalicznych. Do innych metod obróbki powierzchniowej krzemu poli- i monokrystalicznego nale : reaktywne trawienie p ytek krzemu jonami w plazmie (ang.: Reactive Ion Etching RIE), nanoszenie warstwy antyrefleksyjnej (ang.: Anti-Reflective Coatings ARC), w tym metod plazmochemicznego osadzania pow ok z fazy gazowej (ang.: Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition PECVD) i metod klasycznego aktywowanego cieplnie chemicznego osadzania pow ok z fazy gazowej (ang.: Hot-Filament Chemical Vapour Deposition HFCVD), a tak e utlenianie termiczne [95, 174, ], metody zol- el [259] oraz chemiczne osadzanie monowarstw atomowych (ang.: Atomic Layer Deposition ALD). Jedn z bardziej obiecuj cych mo liwo ci produkcji ogniw fotowoltaicznych jest technologia wytwarzania cienkich warstw krzemu o grubo ci kilku mikrometrów z przezroczystymi, rozpraszaj cymi wiat o i przewodz cymi tlenkowymi warstwami ZnO o grubo ci kilkuset nanometrów. Warstwy te mo na otrzyma metod chemicznego lub fizycznego osadzania z fazy gazowej, w warunkach obni onego ci nienia lub wspomagania plazm wytwarzan m.in. z wykorzystaniem akceleratora Halla, b d cego ród em niskotemperaturowej i rzadkiej plazmy [260]. Do spawalniczych metod kszta towania warstw powierzchniowych materia u nale y nanoszenie warstwy napawanego metalu na powierzchni lub kraw d materia u pod o a o ró nym sk adzie chemicznym z wykorzystaniem technologii gazowych i ukowych (ang.: Manual Metal Arc MMA, Shielded Metal Arc SMA, Speed Streamlined Arc SSA, Gas Metal Arc GMA, Gas Tungsten Arc GTA, Plasma Transferred Arc PTA), energii wi zki elektronów oraz natryskiwania cieplnego ukowego lub plazmowego. Metody spawalnicze umo liwiaj uzyskanie, na pod o u z materia ów relatywnie tanich, atwo dost pnych i nieulegaj cych zmianom strukturalnym lub odkszta ceniu plastycznemu, pokry ze stopów metali, materia ów ceramicznych, materia ów na bazie faz mi dzymetalicznych, cermetali, w glików lub materia ów polimerowych. Pokrycia te zapewniaj ochron przeciwkorozyjn, utwardzenie powierzchniowe, porowato powierzchni, efekty dekoracyjne, przewodnictwo elektryczne, odbicie wiat a i/lub napraw ubytków powierzchniowych [155, 232, 261, 262]. 26 A.D. Dobrza ska-danikiewicz

9 Natryskiwane cieplnie pokrycia, zawieraj ce Co, Ni, Cr, Al, Y, Si i/lub Hf b d fazy niektórych z tych pierwiastków, oraz pow oki stanowi ce barier termiczn (ang.: Thermal Barrier Coating TBC) tworz izolacj ciepln, która chroni wysokotemperaturowe stopy niklu [263, 264]. Warstwy powierzchniowe mog by tak e nanoszone detonacyjnie [76, 265, 266]. Gradientowe materia y narz dziowe mog by równie wytwarzane tradycyjn metod metalurgii proszków. Metod t mo liwe jest m.in. wytwarzanie gradientowych materia ów narz dziowych na osnowie stali szybkotn cych wzmacnianych w glikiem wolframu lub na osnowie kobaltowej zawieraj cej proszki w glika wolframu. Zastosowanie metody metalurgii proszków stwarza mo liwo zapewnienia warstwie powierzchniowej du ej odporno ci na zu ycie cierne, dzi ki twardym fazom w glikowym, azotkowym i/lub tlenkowym w osnowie wysokostopowych stali szybkotn cych lub tradycyjnych w glikostali, przy równoczesnym zachowaniu wysokiej ci gliwo ci rdzenia typowej odpowiednio dla stali szybkotn cych lub tradycyjnych w glikostali, po uzasadnionych ekonomicznie kosztach [267]. Taka struktura materia u pozwala na swobodne kszta towanie w asno ci, zale nie od warunków pracy narz dzia. Przyk adowo, w miejscach narz dzia nara onych na cieranie stosuje si warstw twardego materia u, a w innych nara onych na uderzenia materia narz dzia wykazuje du ci gliwo [96, 141, 194, 225, 268]. W ród technik formowania mieszanin proszków funkcjonalnych materia ów gradientowych wyró ni nale y klasyczne prasowanie w matrycy zamkni tej, przez sekwencyjne zasypywanie matryc mieszaninami proszków o udziale twardych faz ceramicznych rosn cym w kierunku powierzchni narz dzia, oraz inne techniki obejmuj ce prasowanie w matrycy jednoosiowej jednostronnej, prasowanie izostatyczne na zimno, formowanie niskoci nieniowe g stwy polimerowo-proszkowej, formowanie wibracyjne i dog szczanie w matrycy zamkni tej, a tak e formowanie sedymentacyjne [269]. Kompozytowe powierzchniowe warstwy stopowe, na staliwnych lub eliwnych elementach maszyn, mog by wytwarzane bezpo rednio w procesie zalewania, odpowiednio ciek ym staliwem lub eliwem, form z materia em kompozytuj cym [270], umieszczonym w nich przez wzajemne dopasowanie wymiarów, szpilkowanie lub przyklejanie go w wyznaczonych fragmentach powierzchni wn ki. Po zalaniu formy ciek ym metalem ma miejsce jego infiltracja w materia kompozytuj cy, który mo e wyst powa w postaci perforowanych wk adek z proszków wybranych stopów lub w glikowych b d tlenkowych faz wzmacniaj cych. Inn mo liwo ci jest zastosowanie materia u kompozytuj cego samotopnikuj cego ze spoiwem 2. Analiza stanu wiedzy 27

10 Open Access Library Volume 1 (7) 2012 z ywicy epoksydowej, organicznego rozpuszczalnika lub szk a wodnego [271]. Mo liwe jest równie umieszczenie materia u kompozytuj cego w formie bez udzia u spoiwa, z u yciem pola magnetycznego [272]. Odlewnicze powierzchniowe kompozytowe warstwy stopowe znajduj zastosowanie w przemy le na odlewy odporne na zu ycie cierne, pracuj ce w warunkach suchego cierania, np. w glem kamiennym, brunatnym i materia ami budowlanymi. Metod cz c techniki odlewnicze (proces infiltracji) oraz metalurgi proszków (przygotowanie porowatych szkieletów spiekanych) jest infiltracja ci nieniowa porowatych szkieletów spiekanych, nale ca do najpr niej rozwijaj cych si metod wytwarzania materia ów kompozytowych [273, 274], umo liwiaj cych m.in. lokalne powierzchniowe wzmacnianie odlewów. Szczególn rol, ze wzgl du na szeroki zakres obecnych i potencjalnych zastosowa, odgrywa obróbka powierzchniowa z udzia em materia ów polimerowych. Dotyczy ona zarówno pokry polimerowych z termoplastów, duroplastów i elastomerów nanoszonych ró nymi technologiami, na ró nych odmiennych materia ach, np. na stopach metali i materia ach tekstylnych, jak równie kszta towania struktury i w asno ci warstwy wierzchniej ró nych materia ów polimerowych [117, 275], w cznie z wytwarzaniem materia ów kompozytowych warstwowych, w tym laminatów z materia ów polimerowych i polimerowych materia ów warstwowych uzyskuj cych po dane w asno ci u ytkowe warstwy wierzchniej [276]. Pokrycia polimerowe mog by nanoszone przez odparowanie rozpuszczonych polimerów, napylanie proszków polimerów na gor ce pod o e i elektrostatyczne napylanie na pod o e o ujemnym potencjale elektrycznym. Inne znane metody to osadzanie elektrolityczne z wodnych roztworów polimerów, osadzanie nagrzanych w parze cz stek immersyjnych w z o u fluidalnym, natryskiwanie p omieniowe przez naniesienie proszku materia u polimerowego nadtopionego przez gor ce gazy na nagrzane pod o e oraz polimeryzacja plazmowa. Mo na wyró ni nast puj ce rodzaje warstw polimerowych o ró nych w asno ciach: hydrofilowe i hydrofobowe, które zapobiegaj osadzaniu osadów; adhezyjne lub przeciwadhezyjne; wiat ochronne; przeciwdyfuzyjne i warstwy odporne na zarysowanie [118]. Kszta towanie struktury i w asno ci warstw wierzchnich materia ów polimerowych poprzedzone jest najcz ciej wst pn obróbk, np. w przypadku poliolefin (np. polietylenu lub polipropylenu), politetrafluoroetylenu lub poliacetali. W celu otrzymania korzystnych warto ci swobodnej energii powierzchniowej przed klejeniem, lakierowaniem, drukowaniem lub metalizacj polimerów stosuje si utlenianie kwasami, aktywacj p omieniow lub wy adowania koronowe wysokoenergetycznymi jonami 28 A.D. Dobrza ska-danikiewicz

11 w polu wysokiego napi cia, pod ci nieniem atmosferycznym powietrza [98]. W przypadku termo- i duroplastów stosuje si aktywacj w plazmie niskoci nieniowej o temperaturze C, w reaktorach z atmosfer tlenu, azotu, fluoru lub gazów szlachetnych [118], b d te przy jednoczesnym promieniowaniu nadfioletowym [277]. W celu powierzchniowego sieciowania polietylenu na rury, ta my, folie, sterylizowania polipropylenowych strzykawek jednorazowych, degradacji politetrafluoroetylenu, zmiany w asno ci izolacji polimerowych kabli elektroenergetycznych, poprawy w asno ci opon samochodowych z kauczuku stosuje si odpowiednio promieniowanie jonizacyjne, promieniowanie lampy kobaltowej C 60 lub wysokoenergetyczne promieniowanie elektronowe [117]. W elektronice i w produkcji urz dze medycznych w asno ci warstw wierzchnich materia ów polimerowych mog by kszta towane przez promieniowanie laserowe [278]. Funkcje ochronne lub dekoracyjne zapewnia lakierowanie powierzchni materia ów polimerowych oraz zadrukowywanie i dekorowanie na maszynach drukarskich, flokowanie elektrostatyczne, metalizowanie oraz wcieranie w materia y polimerowe rodków antystatycznych, oleju silikonowego lub rodków bakteriobójczych [118]. W asno ci mechaniczne polimerowych warstw wierzchnich mo na poprawi przez zastosowanie nanorurek w glowych, przy czym anizotropowo rozmieszczenia nanorurek sprzyja poprawie tych w asno ci [279]. Kompozytowe warstwy polimerowe, zawieraj ce nanorurki w glowe, stanowi element aktywny nanosensorów poziomu pró ni oraz nacisku [280], w których zmiana obj to ci materia u w sposób bezpo redni wp ywa na w asno ci elektryczne elementu aktywnego. W wielu zastosowaniach, np. w sensorach gazów oraz biosensorach, s formowane ultracienkie filmy powierzchniowe zawieraj ce nanorurki w glowe [281, 282], ró ni ce si grubo ci, wykorzystanym materia em cz cym i zabezpieczaj cym nanorurki, a tak e ich struktur (jedno cienne, wielo cienne), czysto ci oraz sposobem u o enia (przypadkowe, uporz dkowane). W wyniku tego otrzymywane s przewodz ce lub pó przewodnikowe pokrycia nanostrukturalne znajduj ce zastosowanie w medycynie, ochronie rodowiska, rolnictwie, przemy le motoryzacyjnym, spo ywczym i produkcji przemys owej [283]. Warto przewodnictwa elektrycznego decyduje o zastosowaniu danego kompozytu, jako sk adnika warstw powierzchniowych o w asno ciach izolacyjnych lub umo liwiaj cych bezpieczne odprowadzenie adunku elektrycznego, a w niektórych przypadkach jest ona wy sza ni przewodnictwo elektryczne poszczególnych sk adników kompozytu, jak np. w kompozycie z o onym z polianiliny i wielo ciennych nanorurek w glowych. Ze wzgl du na du e przewodnictwo cieplne warstwy powierzchniowe z kompozytów polimerowych 2. Analiza stanu wiedzy 29

12 Open Access Library Volume 1 (7) 2012 zawieraj cych nanorurki w glowe stosowane s przez przemys kosmiczny i lotnictwo jako os ony termiczne. Przewodz ce pow oki polimerowe naniesione na skrzyd a samolotów umo liwiaj ich odladzanie podczas trudnych warunków pogodowych, natomiast na zewn trznych elementach pojazdów kosmicznych zast puj tradycyjne cieczowe systemy odprowadzania ciep a. Wprowadzenie nanorurek w glowych do osnowy polimerowej umo liwia wyznaczanie napr e przy u yciu spektroskopii ramanowskiej, gdy kszta t widma nanorurek w glowych (w szczególno ci po o enie refleksu odpowiadaj cego warto ci 2601 cm -1 ) zmienia si w wyniku odkszta cenia kompozytu [284, 285]. Pow oki polimerowe, zawieraj ce nanorurki w glowe o w asno ciach biokatalitycznych, zapobiegaj powstawaniu przykrych zapachów, jak równie stosowane s na elementy aktywne biosensorów oraz jako materia y o podwy szonej biozgodno ci [ ]. Kompozytowe warstwy polimerowe zawieraj ce nanorurki w glowe mog by tak e wykorzystane do budowy ogniw fotowoltaicznych [289]. Z uwagi na to, e przewodnictwo nanorurek w glowych zmienia si na skutek oddzia ywania z moleku ami wielu substancji chemicznych [290], mog by one stosowane na elementy aktywne czujników i nanourz dze elektronicznych, w których w wyniku nanoszenia nanocz stek metali szlachetnych, m.in. Au, Pt, Pd, Rh, na powierzchni nanorurek w glowych nast puje wzrost czu o ci oraz selektywno ci tych detektorów [ ]. Kompozyt uzyskany w wyniku pokrycia zewn trznej powierzchni nanorurek w glowych warstw polimeru przewodz cego mo e by stosowany jako superkondensator [298]. Bardzo obiecuj ce w tym zakresie s równie prace zmierzaj ce do wykorzystania warstw powierzchniowych o osnowie polimerowej wzmacnianych mineralnymi nanorurkami haloizytowymi, jako substytutami nanorurek w glowych, które w wyniku pokrywania materia ami przewodz cymi mog równie zapewni przewodnictwo cieplne i elektryczne powierzchni, a ogólny koszt takiego materia u mo e okaza si znacznie ni szy [299]. Perspektywicznym przyk adem zastosowania nanorurek w glowych w in ynierii powierzchni jest równie ich wykorzystanie do otrzymywania nanorurek ceramicznych, przez osadzanie ZrO 2 na ich powierzchni i nast pnie utleniane w temperaturze powy ej 800 C, w wyniku czego na powierzchni nanorurek w glowych powstaj ceramiczne otoczki o rednicy ok nm, których cianki maj grubo oko o 6 nm [300]. Prowadzone w tej dziedzinie prace zmierzaj do ustalenia zakresu potencjalnych zastosowa takich materia ów, które najpewniej równie b d mog y by wykorzystane jako wzmocnienie kompozytowych warstw powierzchniowych o osnowie polimerowej. 30 A.D. Dobrza ska-danikiewicz

13 Stan bardzo rozleg ej wiedzy szczegó owej w zakresie in ynierii powierzchni paradoksalnie nie sprzyja podejmowaniu prawid owych decyzji menad erskich dotycz cych optymalizacji wyboru odpowiedniej technologii s u cej wytworzeniu konkretnych produktów, gdy brak jest syntezuj cych, zbiorczych opracowa, uwzgl dniaj cych zarówno poznawcze, techniczne i ekonomiczne aspekty wymienionych technologii, jaki i ich znaczenie w praktyce przemys owej, w których pos u ono by si jednolitymi i ustandaryzowanymi kryteriami. Niniejsza praca po wi cona metodologii komputerowo zintegrowanego prognozowania rozwoju in ynierii powierzchni materia ów, porz dkuj cej, usprawniaj cej i unowocze niaj cej proces prognozowania, ma stanowi przyczynek do zmiany tego stanu rzeczy. 2. Analiza stanu wiedzy 31