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

DEEL 1:. nanopoeders,. ultrafijn gestructureerde bulkmaterialen, 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

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

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

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

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

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

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

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

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 + B2C => AB2 + AC voorbeeld: Al + Ti + B => Al + TiB2 Reactieve synthese van TiB2

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 ZrO2-TiC0.5N0.5 (60/40) composiet hardheid HV10 14 GPa, taaiheid > 9 MPa.m1/2 en buigsterkte > 1 GPa

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

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

Sterke plastische vervorming (Ni) Eigenschap Ni 10 μm Ni 100 nm Ni 10 nm Vloeigrens (MPa) (25 °C) 103 690 >900 Treksterkte (MPa) (25 °C) 403 1100 >2000 Rekgrens (%) (25 °C) 50 >15 1 Rek bij buiging (%) (25 °C) – >40 Elasticiteitsmodulus (GPa) (25 °C) 207 214 204 Vickers hardheid (kg/mm2) 140 300 650 Verstevigingscoëfficiënt 0.4 0.15 Vermoeiingssterkte (MPa) (108 cycli/lucht/25 °C) 241 275 Slijtagesnelheid (droog lucht, pen op schijf) (μm3/μm) 1330 7.9 Wrijvingscoëfficiënt (droog lucht, pen op schijf) 0.9 0.5

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)

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

Elektro-processen - elektroforetische depositie - elektrolytische depositie _ elektrode + V EFD deklaag _ + 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

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)

Elektrolytische depositie X-Ray view multilayer coating Co-Cu

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

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

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

De toekomst is begonnen ... Van belofte naar toepassing ... 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

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

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

‘Intelligente Materialen en Structuren’ Definitie ‘Intelligente Materialen en Structuren’ 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)

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

Optische vezel sensoren (OVS) Historisch overzicht 1967 - 70 : 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

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

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 nk/nm 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

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

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 50 to 100 µm Kern Mantel Beschermlaag Single mode optische vezel Meting van intensiteitsvariaties Meten van veranderingen in fase van het licht (interferometrisch OV) Meten van verandering in polarisatie van het licht (polarimetrische OV) ~10 µm OVS: 120 en 250 µm 

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

Wat kan een optische vezel detecteren?

Voordelen van optische vezels

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

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

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

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

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

Trekproef Belasting-tijd curve

Akoestische emissie meting van schade met PZT sensor - STFT -

… meting van schade met ingebedde OVS

Schade gerelateerde optische transiënt

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

Optische signalen tijdens trekproef Kritische schadetoestand

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

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

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

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

- Signaalverwerking Toegespitst op on-line transient detectie X 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

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

Besluit: detectie van transiënten 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 Het opgemeten optisch signaal bevat informatie over de schadeontwikkeling in het gast composietmateriaal en kan in een vroeg stadium on-line achterhaald worden