De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Materialen - actieve oppervlakken, slimme toevoegingen, nano-poeders prof. dr. ir. Martine WEVERS 26 mei 2005 Nanotechnologie in 2005: de feiten achter.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Materialen - actieve oppervlakken, slimme toevoegingen, nano-poeders prof. dr. ir. Martine WEVERS 26 mei 2005 Nanotechnologie in 2005: de feiten achter."— Transcript van de presentatie:

1

2 Materialen - actieve oppervlakken, slimme toevoegingen, nano-poeders prof. dr. ir. Martine WEVERS 26 mei 2005 Nanotechnologie in 2005: de feiten achter de hype Kortrijk mei-juni 2005 Dept. Metaalkunde en Toegepaste Materiaalkunde, K.U.Leuven

3 DEEL 1:nanopoeders, ultrafijn gestructureerde bulkmaterialen, nanokristallijne deklagen DEEL 2: intelligente materialen (smart materials) meer bepaald, composieten met ingebedde optische vezels voor schademonitoring Dept. Metaalkunde en Toegepaste Materiaalkunde, K.U.Leuven

4 DEEL 1 nanopoeders, ultrafijn gestructureerde bulkmaterialen, nanokristallijne deklagen Dept. Metaalkunde en Toegepaste Materiaalkunde, K.U.Leuven

5 Inleiding De reductie in de afmetingen van materialen tot nanoschaal met als gevolg: verhoogde sterkte verhoogde hardheid hogere slijtageweerstand verbeterde diffusiviteit hogere specifieke warmte hogere elektrische weerstand

6 Inleiding Productie van nanopoeders verdichting van nanopoeders is moeilijk! Vorming van ultrafijn gestructureerde bulkmaterialen Nanokristallijne deklagen

7 Productie van nanopoeders Voorloper Reactie Product Vast Creatie Vast Transformatie Scheiding Vloeibaar Gas Damp Drogen Collectie Calcineren Chemie

8 Technieken om nano (kristallijne) deeltjes en nanobuisjes te synthetiseren damp –physical vapor deposition (pvd): fysische depositie uit de dampfase –chemical vapor deposition (cvd): chemische depositie uit de dampfase –aerosol proces vloeibaar –sol–gel proces –natte chemische synthese vast –mechanisch legeren/malen –mechano-chemische synthese combinatie van damp/vloeistof/vaste stof

9 Chemische samenstelling Vorm Gelaagd Staafvormig Equiaxiale kristallieten GRADIËNT !!!! Nanogestructureerde materialen Kristallieten verdeeld in matrix Grenslagen en kristallieten verschillend Gelijk Verschillend voor kristallieten

10 Mechanisch legeren Brede piek: fijnkorrelig materiaal Fijne piek: grovere korrel

11 Mechano-chemische synthese Verplaatsingsreacties: een element verplaatst een ander element in een door diffusie gecontrolleerd transport om een nieuw product te vormen dat thermodynamisch stabieler is dan de uitgangsproducten 2A + B 2 C => AB 2 + AC voorbeeld: Al + Ti + B => Al + TiB 2 Reactieve synthese van TiB 2

12 Bulk nanokristallijne vaste stoffen Verdichting van het nanokristallijn poeder –Heet persen, heet isostatisch persen, extrusie, koud isostatisch persen, … (Rx!) –Compacteren door schokgolven; hoge vervormingssnelheden –Hoge druk torsie (hpt) –Plasma sinteren –Sinteren door electrische stroompulsen –Microgolf sinteren Sterke plastische vervorming –equal channel angular processing (ecap); ecae (… extrusie), ecad (… drawing) … SPS Nanogestructureerd ZrO 2 -TiC 0.5 N 0.5 (60/40) composiet hardheid HV GPa, taaiheid > 9 MPa.m 1/2 en buigsterkte > 1 GPa

13 Sterke plastische vervorming 2 kanalen met identische doorsnede snijdend onder een hoek  de equivalente rek per pas = f (  ) voor  = 90°,  eq = 1.15  P billet matrijs stempel zuivere afschuiving vervormingszone

14 Sterke plastische deformatie van IF staal 1 pas  eq  9.2) 8 passen (  eq  9.2)

15 Sterke plastische vervorming (Ni) EigenschapNi 10 μmNi 100 nmNi 10 nm Vloeigrens (MPa) (25 °C) >900 Treksterkte (MPa) (25 °C) >2000 Rekgrens (%) (25 °C) 50>151 Rek bij buiging (%) (25 °C) –>40– Elasticiteitsmodulus (GPa) (25 °C) Vickers hardheid (kg/mm 2 ) Verstevigingscoëfficiënt Vermoeiingssterkte (MPa) (10 8 cycli/lucht/25 °C) – Slijtagesnelheid (droog lucht, pen op schijf) (μm 3 /μm) 1330–7.9 Wrijvingscoëfficiënt (droog lucht, pen op schijf) 0.9–0.5

16 Nanokristallijne deklagen Gemodificeerd cvd of pvd: –v.b. ionenbundel geassisteerde depositie (ion beam assisted deposition) Thermisch gesproeide deklagen: gebruik van nanopoeders of nanogestructureerde poeders –plasma spuiten (plasma spraying)

17 - thermisch spuiten (flame spraying) - HVOF spraying (high velocity oxy fuel spraying) - detonation flame spraying

18 Elektro-processen - elektroforetische depositie - elektrolytische depositie _ + V metaal composiet deklaag roerder _ _ + _ _ suspensie + _ deeltje positief ion negatief ion waterig milieu metaaldepositie hoge ionische sterkte niet-waterig milieu geen metaaldepositie lage ionische sterkte _ elektrode + V EFD deklaag + + _ _ + _

19 Deeltjes worden geladen door de interactie met het solvent en de additieven De geladen deeltjes verplaatsen zich onder de invloed van een aangebracht elektrisch veld (elektrophoresis) De deeltjes vormen een groeiende laag op de depositie elektroden (depositie)

20 Elektrolytische depositie X-Ray view multilayer coating Co-Cu

21 Elektrolytische depositie electrodeposited Zn- PS polymer – coating (as grown) EUSILACOR project (partners: OCAS, MTM,...)

22 Elektroforetische depositie + - FGM opstelling Gradiënt profiel Dikte gradiënt 100 % Samenstelling laminaten deklagen (nm-mm) gradiëntmaterialen Keramische deklaag op een metaal

23 De toekomst is begonnen... Persberichten... Sandvik Bioline steel grade gebruikt nanotechnology De hoge sterkte van Sandvik Bioline 1RK91 wordt verwezenlijkt door “verouderingsverharding”

24 De toekomst is begonnen... Mercedes-Benz introduceert een innovatieve nano- deeltjes verf voor de automobiel Mercedes-Benz gebruikt een innovatieve nano-deeltjes deklaag met een beduidend betere krasweerstand en verbeterde glans Van belofte naar toepassing...

25 DEEL 2 Intelligente materialen (smart materials) meer bepaald, composieten met ingebedde optische vezels voor schademonitoring Dept. Metaalkunde en Toegepaste Materiaalkunde, K.U.Leuven

26 Inleiding Definitie ‘intelligente materialen en structuren’ OVS, werkingsprincipe, structuur, karakteristieken, soorten, wat meten, voordelen, nadelen,... Schademonitoring in composieten met multimode en single mode optische vezel Testresultaten met signaalanalyse Besluit

27 A smart material (or structure) is a material (or structure) which can detect one or several physical parameters that may have an influence on its behaviour and then can react to this parameter if needed. (C.Boller, 1996) Definitie ‘Intelligente Materialen en Structuren’

28 Het systeem moet geïntegreerd zijn in het materiaal (of de structuur) en het moet werken zonder externe interventie Belangrijk !! Voorbeelden: Vliegtuigvleugels die hun geometrie aanpassen aan de vluchtcondities Detectie en herstel van schade in een structuur wanneer ze wordt gebruikt

29 Optische vezel sensoren (OVS) Historisch overzicht :Eerste studies op optische vezels (W. Streifer, D. Marcuse) 1980 : Eerste optische vezel sensor (J.N. Fields) 1989 : Eerste schadedetectie met een OVS (S.R. Waite). De dag van vandaag Slechts een aantal succesvolle studies rond schadedetectie in composieten met OVS gekend Geen commercieel systeem beschikbaar

30 Werkingsprincipe optische vezel sensoren Intrinsieke OVS Hybriede OVS Het te meten item veroorzaakt een perturbatie in het optisch signaal en moduleert een of meerdere meetbare karakteristieken van het licht Optische vezel

31 De structuur van optische vezels Het aantal lichtgolven (modes) dat door de vezel zal propageren is afhankelijk van de kerndiameter, de verhouding van de brekingsindices n k /n m en de golflengte van het licht Afhankelijk van de optische karakteristiek die gebruikt wordt in de sensor-toepassing, is het aantal modes dat propageert in de optische vezel een belangrijke parameter

32 De karakteristieken van het licht … die opgemeten kunnen worden in de sensor-toepassing amplitude polarisatie fase modale distributie golflengte time-of-flight

33 Multimode optische vezel Verandering in de propagatiemodes in de OV (hogere orde modes stralen in de mantel van de optische vezel en worden geabsorbeerd) Verandering in de lichtintensiteit door microbuiging van de vezel Single mode optische vezel Kern Mantel Beschermlaag OVS: 120 en 250 µm  50 to 100 µm ~10 µm Meting van intensiteitsvariaties Meten van veranderingen in fase van het licht (interferometrisch OV) Meten van verandering in polarisatie van het licht (polarimetrische OV)

34 Single mode optische vezel met een kleinere kern is gevoeliger dan een multimode optische vezel wat nodig is voor rekmetingen

35 Wat kan een optische vezel detecteren?

36 Voordelen van optische vezels

37 Belangrijkste nadelen moet sensor isoleren van ongewenste parameters beschikbaarheid van optische bronnen kost en beschikbaarheid van randapparatuur stabiliteit op lange termijn dient onderzocht te worden technologie van optische vezels is weinig bekend

38 Schademonitoring van een structuur (structural health monitoring) Randvoorwaarden bij de studie: Vezelversterkte composietmaterialen Enkel voelfunctie: schade detecteren en identificeren Continue detectie tijdens gebruik Optische vezel sensor (OVS) « ingebed » in het composietmateriaal Schademonitoring door:

39 Schade in een composiet gaat gepaard met het plots vrijkomen van elastische energie die akoestische emissies genereren (AE signalen = hoogfrequente geluidssignalen) = Hoog energetische elastische golven die in het composietmateriaal propageren bij schadeontwikkeling Optical fiber

40 Multimode optische vezel Laser:laserdiode, voor MM vezel: 830 nm He-Ne laser, voor MM vezel: 630 nm

41 Composietmateriaal met multimode OV Vicotex carbon/epoxy prepreg, Specimen size 150 mm x 25 mm x 1.2 mm

42 Trekproef Belasting-tijd curve

43 Akoestische emissie meting van schade met PZT sensor - STFT -

44 … meting van schade met ingebedde OVS

45 Schade gerelateerde optische transiënt

46 AE events tijdens trekproef Transversale matrixscheuren Vezelbreuken Delaminatiegroei Kritische schadetoestand (CDS)

47 Optische signalen tijdens trekproef Kritische schadetoestand

48 Single mode optische vezel Groeiende schade Akoestische golfvoortplanting in buis Sterke toename in transiënten is indicatie van groeiende schade On-line transiënt detectie Composietbuis met ingebouwde optische vezel Tijd (s) OVS 

49 Single mode optische vezel Polarizatie controller SM OVS Polarisator Photodetector Jones Matrices SM Laserdiode De complexe waarden a, b worden bepaald door de birefringentie in de vezel

50 Buigtest op PDT-coil buis met ingebedde OVS F Glas-PPS composieten buis met OV OV is in SMARTape® ingebed

51 Optisch signaal tijdens buigtest Belasting en aantal gedetecteerde transiënten als functie ven de tijd Transient nummer 62

52 Signaalverwerking - X Toegespitst op on-line transient detectie Het ruisniveau wordt geschat door een adaptieve spectrale subtractie methode en een “extented” spectrale subtractie methode gebaseerd op de benadering van de Wiener filter Het ruisniveau wordt ge-update zelfs bij aanwezigheid van een transient De veranderingen door de transiënt zijn abrupter dan de niet- stationaire veranderingen in de ruis

53 Signaalverwerking Deze estimatie van de ruis wordt gebruikt te samen met een “power- law detector” met aanpasbare exponent

54 Transiënte fenomenen worden gedecteerd in het optisch signaal van de multimode en single mode polarimetrische optische vezel Hun aanwezigheid komt perfect overeen met de schade- gerelateerde events gemeten met het AE systeem Besluit: detectie van transiënten Het opgemeten optisch signaal bevat informatie over de schadeontwikkeling in het gast composietmateriaal en kan in een vroeg stadium on-line achterhaald worden


Download ppt "Materialen - actieve oppervlakken, slimme toevoegingen, nano-poeders prof. dr. ir. Martine WEVERS 26 mei 2005 Nanotechnologie in 2005: de feiten achter."

Verwante presentaties


Ads door Google