Materiali nanostrutturati per applicazioni meccaniche · 2007. 4. 17. · Camera di Commercio Ravenna, Eurosportello - Materiali nanostrutturati per applicazioni meccaniche – Ravenna,

Camera di Commercio Ravenna, Camera di Commercio Ravenna, EurosportelloEurosportello -- Materiali Materiali nanostrutturatinanostrutturati per applicazioni meccaniche per applicazioni meccaniche –– Ravenna, 13Ravenna, 13--0505--0707

Laboratorio a rete SUP&RMANSUP&RMAN

Materiali nanostrutturati per applicazioni meccaniche

Sergio Valeri

Laboratorio a rete SUP&RMANSUPerfici & Ricoprimenti per la Meccanica Avanzata e la Nanomeccanica

Laboratorio per la ricerca industriale ed il trasferimento tecnologico



10 cm

10 μ

i materiali compositi, intelligenti, graduali

i sistemi di preparazione innovativi (misti, a bassa temperatura, ad elevata resa, di elevato rispetto ambientale)

la creazione di linguaggi e competenze trasversali tra gli attori della ricerca (ingegneri, fisici, chimici, …) e tra questi e il mondo produttivo

i ricoprimenti sottili e ultrasottili, duri ed ultraduri

la nanotribologia vs macrotribologia: dal nanoattrito alla formazione del truciolo

le nanoparticelle (fasi nanodisperse per la rigidita’ strutturale di materiali leggeri, … , vernici e inchiostri intelligenti, … ) : i nanofili e nanotubi, …

la nanofabbricazione

le frontiere per la meccanica:

superfici e ricoprimenti

materiali speciali

micro-nanotecnologie

meccanica di nano-oggetti



Scopo della nanostrutturazione di un materiale, di una superficie o di un rivestimento e’ quello di migliorare le proprieta’ o di conferire nuove e diverse funzionalità.

decorativa / funzionale (alleggerimento, protezione materiali morbidi dal graffio, nobilitazione materiali semplici, ecc.)anticorrosiva ambientale (palette turbine soggette alte T e ambienti corrosivi , zincature e cromature per materiali ferrosi, ecc.)antiabrasiva e per scorrevolezza (materiali a bassa resistenza a sforzi di taglio su cuscinetti ed altre parti in movimento, coating refrattari su utensili, trattamenti antiscivolo, resistenza alla usura, idrofobicita’, ecc.)biomedicale (materiali biocompatibili per chirurgia o impianti medicali , come ceramiche a base Ti, ecc.)energia ed ambiente (film a base Si per celle fotovoltaiche, anti riflesso o elettrocromici per vetrate dei palazzi, catalizzatori per reazioni chimiche (superfici autopulenti), riduzione del rilascio di micro-nanoparticelle, ecc.)…tecnologia necessaria e sua disponibilità commercialecostiimpatto ambientale del processo (legge 2000/53/CE, norme FDA, …)

Non esiste micro-nanostrutturazione che di per sè ottimizzi tutti questi aspetti ! .....



… però si possono tentare vari approcci :

materiali/ricoprimenti multistrato ?!

1.1. Riduzione delle differenze nelle proprietRiduzione delle differenze nelle proprietààmeccaniche e chimiche fra meccaniche e chimiche fra coatingcoating e substrato e substrato ((aumento dellaumento dell’’adesioneadesione) mediante l) mediante l’’uso di uno o uso di uno o pipiùù intralayerintralayer).).

2.2. Controllo della deformazione residua e dello Controllo della deformazione residua e dello stress nel stress nel coatingcoating mediante lmediante l’’utilizzo di utilizzo di multistrati strutturati (multistrati strutturati (aumento dellaumento dell’’adesioneadesione).).

3.3. Barriera allBarriera all’’avanzata di crack mediante avanzata di crack mediante ll’’alternanza di strati aventi tenacitalternanza di strati aventi tenacitàà differenti.differenti.

4.4. Diminuzione della probabilitDiminuzione della probabilitàà di rottura del di rottura del rivestimento soggetto a carico applicato mediante rivestimento soggetto a carico applicato mediante ll’’utilizzo di strati che consentano agli strati piutilizzo di strati che consentano agli strati piùùduri di scivolare lduri di scivolare l’’uno sulluno sull’’altro durante la altro durante la curvaturacurvatura

5.5. Conferimento di particolari proprietConferimento di particolari proprietàà fisiche (es. fisiche (es. barriera alla diffusione, barriera termica, estetica).barriera alla diffusione, barriera termica, estetica).

Comprensione del comportamento del coatingattraverso la sua risposta

ad un carico applicato

Sezione di un multilayers nanostrutturato: alternanza di uno strato duro e uno tenero al fine di distribuire le fratture e gli stress all’interno del ricoprimento senza provocarne il suo distaccamento dal substrato.



materiali/rivestimenti multicomponente ?!nanocompositinanocompositi-- superduri: superduri: durezza > 40GPa durezza intrinseca (diamante 70 – 100GPa); durezza estrinseca determinata dalla microstruttura: BN 48 GPa-- bbasso coefficiente di attrito e tenaci : ncnc--MMnnNN/a/a--SiSi33NN44 ((M = Ti, W, V) e altri nitruri di metalli di transizione : es. nc-WC/a-DLC ha una bassa rate di usura e coefficiente di attrito su acciaiodell’ordine di 0.2n. Le elevate proprietà tribologiche di questi materiali non sono solamente dovute alle dimensioni nanoscopiche dei grani ma anche dalle forze all’interfaccia fra fase cristallina e amorfa che evita la propagazione dei crack.

coatingcoating intelligentiintelligenti(si adattano alle condizioni di lavoro)

- TiAlN: forma uno strato di ossido protettivo alle alte T durante il taglio- DLC: formazione di uno strato grafitico, a basso coefficiente di attrito, indotto dalla temperatura- WS2 addittivato con CF2 meno sensibile all’umidità, alza la temperatura di lavoro oltre i 450°C

micrografia TEM: sono chiaramente visibili

nanocristalli di TiAlNuniformemente rivestiti da un

sottile film di Si3N4. E’ fortemente ostacolata la

crescita di eventuali cricche, che per propagare nella matrice

ceramica devono aggirare e superare i nanocristalli

TiAlN

Si3N4



Occorre “progettare” i materiali e le loro superfici

coatingcoating gradualigradualiutilizzo di layer“dedicati” per ottenere specifiche proprietà a predefinite profondità nel coating.

Materiali/rivestimenti multistrato e multicomponente ?!

attrito e usura !



Diamond Like CarbonForma amorfa del C con legamiibridi sp2 - sp3

1) elevata durezza, > 40 GPa2) Inerzia Chimica3) Basso coefficiente d’attrito

H

graphite

t-aC

sp2

sp3

DLC

No film

diamond

Polymer-like

Graphitic

t-aC:H

0

0.05

0.10

0.15

0.20

CO

F

Zona di transizione

Friction Coefficient ~ 0.1

- classicamente CVD èdeposizione a seguito di reazioni chimiche termo-attivate (riduzione, pirolisi, ossidazioni, ecc.)- in PECVD un plasma elettronico facilita le dissociazioni molecolari aumentando la reattività,- velocità di deposizione alte (~50 μm/h)- PECVD temperature di reazione basse (200-600 °C) rispetto al normale CVD (800-1200 °C)- sistemi DC, RF, MW

Chemical Vapor Deposition



Physical Vapor Deposition.

Tecnica principale (a volte accoppiata con CVD) per la realizzazione di multistrati: tema di frontiera, ormai “obbligatorio”

DC/

Un plasma (DC o RF) viene generato da una differenza di potenziale (100 ÷ 1000 V) tra un anodo e un catodo. - gli ioni del plasma bombardano il target.- gli atomi del target emessi si depositano sul substrato, che può essere polarizzato o riscaldato.- ottima uniformità di ricoprimento su substrati planari, difficoltà su superfici complesse.- alto rendimento e velocità di deposizione (μm/h).- materiali ceramici ottenibili con deposizione reattiva (N2, O2, ecc.).

Sputtering

Singolo strato TiN, CrN e CrN/TiN

multilayer rivestimenti duri

antiusura e antigraffio.

nanoindentazione

2.1-sputtering



Tecnica a spruzzatura (fusione / solidificazione di polveri)- alta T per deposizione refrattari (ceramiche, ossidi, metalli);

riscaldamento localizzato di substrato- alte velocità di deposizione (1 mm/h) e semplicità di impianti; - HVOF (High Velocity Oxy Fuel): fiamma fonde parzialmente

le polveri - COLD SPRAY: polveri fondono parzialmente nella collisione col substrato.

iniettore delle polveri

gas plasma: Ar, N2 H2, He

acqua di raffreddamento

plasma “flame”catodo

anodo

2.3 – plasma spray

energia fornita da scarica elettrica (20 V, 100 A); spot di arco vaporizza localmente il targetgenerazione di micro goccealto rendimento e velocità di deposizione (10 μm/h)catodo necessariamente metallico; materiali ceramici ottenibili solo con deposizione reattiva (N2, O2, ecc.)

2.2 – arco catodico

3 μm TiN

Al substrate

Al2O3Cr2O3 WC-17%CoCo-Mo-Cr-Si

Durezza Vickersrivestimentirivestimenti duriduri antiusuraantiusura susu componenticomponenti meccanicimeccanici ((stampistampi, , partipartisoggettesoggette ad ad abrasioneabrasione, , strisciamentostrisciamento, etc, etc……))



materiale composito ultraduro WC-Co(matrice metallica: Co 12% + ceramica dispersa: WC 88%)Preparato mediante HVOF

legante metallicoCo (segnale scuro)

grani ceramici WC(segnale chiaro)

W~ 10-5 mm3·N-1·m-1 W negligible

acciaio di riferimento ricoprimento indurente

0.35 mm

0.6<µ<0.8

0.4<µ<0.6

Al2O3

Vickers Hardness (kg/mm2)

Abr

asion

resist

ance

(Nm/m

m2 )



nano oggetti (potenzialita’ per nuovi materiali)

Proprietà meccaniche di nanotubi di carbonio

Produzione di nanoparticelle(nanoclusters) mediante magnetron sputtering e post-aggregazione



I polimeri sono ampiamente usati per cuscinetti e rulli in quanto hanno basso coefficiente di attrito, assorbono le vibrazione, sono non abrasivi, non corrosivi, economici e facilida lavorare. Polimeri omogenei hanno tuttavia una alta velocita’di erosione. Si e’ recentemente trovato che materialipolimerici nanocompositi realizzati introducendo nei polimerinanoparticelle o nanofili duri o superduri hanno elevataresistenza all’usura e ridotto effetto abrasivo sulla contropartemeccanica.

Nanotubi di carboniodispersi in polipropilene

Polimeri addizionati con nanp particelle o nano tubi

Titanium dioxide (TiO2)

Silica nanosfere30 nm diametro

Tungsten carbide (WC)

Nanoparticelle ceramiche per la realizzazione dimateriali compositi nanostrutturati



CoatingCoating funzionalizzatofunzionalizzato con con nanoparticelle su materiale ceramiconanoparticelle su materiale ceramico

Particolari coatings nanocompositiconsentono di rendere la superficie idrofoba.

Nello stesso film vetroso sono state inserite particelle di CdSe di dimensioni diverse: 3 nm e 4 nm , quando i film vengono illuminati da radiazione UV emettono luce di colore diverso

AlCoO: blu

NanoparticelleNanoparticelle per per coloranticoloranti

Immagine SEM della cross-section realizzata con FIB di ricoprimenti nanostrutturati.

Add

izione

dina

nopa

rticelle

per

compa

ttar

erive

stim

enti



Micro-tessiture create artificialmente su superficidi contatti striscianti possono significativamentecontribuire all’abbassamento di coefficienti diattrito ed usura

surface texturingVantaggi della texturizzazione:intrappolare detritiritenere il lubrificante tra le superfici strisciantiassicurare maggiore spinta idrodinamica

Fasci ionici focalizzati (nano-texturing) Profilo in profondita’di layer di SiC

a = 125 nmb = 50 nm

Texturing superficialein silicio

Rispetto alle altre tecniche di texturizzazione LST offre maggiori opportunità:- tempi di processo brevi- ambiente pulito- eccellente controllo della forma e delle dimensioni dei fori

20 μm

Laser texturing (micro-texturing)



poor lubrication

0.80

0.70

0.60

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00

Fric

tion

Coe

ffici

ent

1.00.80.60.40.2Laps [x 105]

ENDURANCE TEST TEXTURED SURFACE UNTEXTURED SURFACE

Time: 8h : 00 min

Linear Velocity: 12 cm • s-1

Normal Load: 7N Contact Pressure: 7MPaNO WEAR

30NiCrMo12 vs100Cr6“goccia d’olio” (~ 22··1010--3 ml/cm23 ml/cm2) Pressioni di contatto

1-10 MPaSurface texturing: S% = 40%

0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x1050,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0,11

ENDURANCE TESTTime 4h : 00min

Load 4.0 NLinear speed 40 cm/s

CO

F

Laps

raw surface textured surface

PinPin

DiscoDisco

CaricoCarico20MnCr5 vs 100Cr6“bagno d’olio”Pressione contatto: 0.2 MPaSurface coverage: 20%

full lubrication



Net-Lab Sup&rmanSUPerfici & Ricoprimenti per la Meccanica Avanzata e la

Nanomeccanica

Laboratorio per la ricerca industriale ed il trasferimento tecnologicoDistretto Hi-Mech per la Meccanica avanzata

Rete per l’Alta tecnologia della Regione Emilia Romagna

Distretto Hi-Mech dell’Emilia RomagnaÈ un distretto Hi-Tech per la meccanica avanzata. È una iniziativa della regione Emilia Romagna, delle Università e dei Centri di ricerca della Regione in collaborazione con il MIUR, coordinata da ASTER. Èstrutturato come una rete di eccellenza formata da 8 Laboratori focalizzati su specifici ambiti tecnologici.

Distretti Hi-TechL’iniziativa dei distretti hi-tech si colloca nell’ambito di un programma avviato di recente dal MIUR, finanziato sul fondo FAR (Fondo agevolazioni per la ricerca); prevede la creazione di Distretti ad alta tecnologia organizzati su base regionale

Emilia Romagna ? Il settore metalmeccanico incide per il 42% sulla composizione del settore manifatturiero della regione Emilia Romagna, producendo beni di investimento utilizzati da altri settori leader della regione.

mettere in rete e coordinarele competenze sulle superficied i ricoprimenti

produrre buona scienza, buona tecnologia, e trasferirle efficacemente

Settori merceologici: macchine utensili, automobili, macchine movimento terra, macchinelavorazione legno, macchine per il confezionamento dei farmaci, robotica, packaging, decorativo, …



la rete

Dipart. di Ingegneria Meccanica Univ. di Modena e Reggio Emilia

Arcotronics

Tecno-pro

Dipart. di Ingegneria dei Materiali e dell’Ambiente Univ. di Modena e Reggio Emilia

Alter

Dipart. di Fisica Univ. di Ferrara

Cineca

CNR-INFM–S3

ModenaModena Centro Prove

CNR-ISMNBologna

Dipart. di Fisica Univ. di Modena e Reggio Emilia

Strutture pubbliche

Strutture private

Coordinamento del Net-Lab

ConsiglioScientifico

Progetti

Consiglio Direttivo

Panel delle aziende

Trasferimento tecnologico

[email protected]

http://www.labstar.it

5 sottoprogetti:

Sottoprogetto 4 : ingegnerizzazionedi superfici e rivestimenti multiscalaSottoprogetto 2 : Comprensione

e controllo delle proprietàtribologiche (attrito, usura, …) di superfici e ricoprimenti

Sottoprogetto 1: Studio e realizzazione di rivestimenti innovativi per applicazioni meccaniche, sviluppo di tecnologie miste per ricoprimenti

Sottoprogetto 3: Comprensione e controllo dei processi di interazione ione-materia per preparazione e caratterizzazione di superfici e rivestimenti

Sottoprogetto 5 : Digital Library



grazie per la vostra attenzione

Sergio Valeri

[email protected]

Leonardo RettighieriFlavio CapotondiLuca Lusvarghi Alberto Borghi

Enrico Gualtieri (PhD) Lorenzo CalabriAndrea VanossiDiego Marchetto (PhD)Alberto Rota

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