Απεικόνιση των κόκκων της νανοκρυσταλλικής σκόνης χρωμιομαγγανιούχου χάλυβα

13/10/2006

Τεχνογνωσία για την παραγωγή νανοκρυσταλλικών επικαλύψεων με τεχνολογίες θερμικού ψεκασμού ανέπτυξε η ελληνική εταιρεία ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ. Η έρευνα, που υλοποιήθηκε στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού έργου Nanospraying, με συγχρηματοδότηση από το 5ο Πρόγραμμα Πλαίσιο για την Έρευνα της ΕΕ, αφορά τις νανοκρυσταλλικές δομές που προσφέρουν βελτιωμένες μηχανικές και οπτικές ιδιότητες στις επικαλύψεις (π.χ. επιφανειακή σκληρότητα, αντοχή σε φθορά, κ.λπ.). Στο έργο συμμετείχαν επτά φορείς (πανεπιστήμια, ερευνητικά κέντρα και επιχειρήσεις) από Βέλγιο, Γαλλία, Ελλάδα και Ιταλία.

Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται συνήθως για την απόθεση νανοκρυσταλλικών επικαλύψεων είναι τεχνικές φυσικής ή χημικής απόθεσης ατμών, ηλεκτροαπόθεσης ή τεχνικές sol-gel. Η ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ, ωστόσο, μελέτησε τις τεχνολογίες θερμικού ψεκασμού, οι οποίες δεν έχουν δοκιμαστεί αρκετά, κυρίως λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται.

Συγκεκριμένα, οι τεχνικές θερμικού ψεκασμού (ψεκασμός με πλάσμα, με φλόγα, με τόξο, με φλόγα υψηλής ταχύτητας-HVOF) βασίζονται στην τροφοδοσία του υλικού της επικάλυψης, υπό μορφή σύρματος ή πούδρας, σε πίδακα θερμότητας (φλόγα ή πλάσμα) υψηλής κινητικής και θερμικής ενέργειας. Όταν τα σωματίδια του υλικού, τηγμένα ολικά ή μόνο στην εξωτερική στοιβάδα, προσπίπτουν στην ψυχρή επιφάνεια που προορίζεται για επικάλυψη, το τηγμένο υλικό στερεοποιείται ακαριαία δημιουργώντας ένα στρώμα παρόμοιας χημικής σύνθεσης με το υλικό ψεκασμού.

Η θερμότητα που δέχεται το υλικό κατά τον ψεκασμό, αλλά και κατά την απόθεση στο υπόστρωμα μέχρι την πλήρη ανάπτυξη και απόψυξη της επικάλυψης, ενεργοποιεί τη μετατροπή της θερμοδυναμικά μετασταθούς νανοκρυσταλλικής δομής προς μία θερμοδυναμικά σταθερότερη δομή μεγαλύτερης κοκκομετρίας. Αποτέλεσμα είναι η μεγέθυνση των νανοκρυστάλλων, η οποία μπορεί να συνοδεύεται και από μετασχηματισμό των αρχικών φάσεων. Η πρόκληση για την εφαρμογή των τεχνικών θερμικού ψεκασμού είναι, λοιπόν, η ρύθμιση των συνθηκών ψεκασμού ώστε να μην επηρεάζεται η νανοδομή των ψεκαζόμενων σωματιδίων και να διατηρείται στην παραγόμενη επικάλυψη.

Το ερευνητικό έργο Nanospraying αφορά τη διεργασία του θερμικού ψεκασμού με πλάσμα νανοκρυσταλλικής σκόνης χρωμιομαγγανιούχου χάλυβα, που παράγεται με τεχνικές άλεσης. Το μέσο μέγεθος σωματιδίων είναι 40 μm, ενώ, σύμφωνα με αναλυτικές τεχνικές μετρήσεις (περίθλαση ακτίνων Χ, ηλεκτρονική μικροσκοπία), το μέσο μέγεθος των κρυστάλλων που τα αποτελούν ανέρχεται σε 12nm. Κατά τον ψεκασμό, η θερμοκρασία του πλάσματος υπερβαίνει τους 5000oC, ωστόσο διατηρείται η νανοκρυσταλλική δομή της επικάλυψης, με μέσο μέγεθος κρυστάλλων 16nm. Η δημιουργία της νανοκρυσταλλικής επικάλυψης είναι εφικτή χάρις, αφενός, στον περιορισμό της ενθαλπίας του πλάσματος, μέσω της ρύθμισης της αναλογίας των αερίων (Ar, H2) και της ενέργειας του ηλεκτρικού τόξου που παράγουν, και, αφετέρου, στη θέση τροφοδοσίας της σκόνης στο πλάσμα. Πρόσθετα πειράματα απέδειξαν επίσης πως η παραγωγή νανοκρυσταλλικών επικαλύψεων είναι εφικτή με τη χρήση νανοκρυσταλλικών κόνεων και άλλων υλικών όπως το καρβίδιο του βολφραμίου (WC) και η αλούμινα.

Η νανοκρυσταλλική επικάλυψη με τον ψεκασμό που έγινε από την ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ δοκιμάστηκε από την ιταλική εταιρεία κατασκευής μοτοσικλετών Aprilia, η οποία συμμετείχε επίσης στο έργο, για τους αλουμινένιους μονοκύλινδρους κινητήρες μοτοσικλετών. Από τις δοκιμές προέκυψε ότι η επικάλυψη προστατεύει το αλουμινένιο χιτώνιο του κυλίνδρου από τη φθορά λόγω τριβής, επιμηκύνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του. Επιπλέον, προσφέρει τη δυνατότητα ασφαλούς εντατικοποίησης των συνθηκών λειτουργίας του κινητήρα, λόγω μείωσης του συντελεστή τριβής.

Η ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ μελετά επίσης το θερμικό ψεκασμό ενεργοποιημένων και νανοδομημένων κόνεων που έχουν προκύψει από άλεση σε πλανητικούς μύλους υψηλών ενεργειών (επιταχύνσεις 28-50g). Πρόκειται για το έργο Activation, που συγχρηματοδοτείται από το 6ο Πρόγραμμα Πλαίσιο, και μελετά τη χρήση καρβιδίων (χρωμίου, βολφραμίου), σκληρών μεταλλικών κραμάτων και κεραμικών (οξειδίου του αλουμινίου και του ψευδαργύρου-ZnO). Τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι στην περίπτωση των WC και ZnO, η δομή των σωματιδίων της σκόνης δεν αλλοιώνεται κατά τον ψεκασμό.

Σημειώνεται πως η εταιρεία ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ ΑΒΕΕ δραστηριοποιείται, από το 2002, στη βιομηχανική έρευνα και, συγκεκριμένα, στην παραγωγή και εμπορία προϊόντων που ανήκουν στην κατηγορία των προηγμένων υλικών και παράγονται με τεχνολογίες θερμικού ψεκασμού. Βασικές δραστηριότητες της εταιρείας είναι η εφαρμογή επικαλύψεων σε βιομηχανικά εξαρτήματα, σύμφωνα με τις ιδιαίτερες λειτουργικές απαιτήσεις του καθενός, και η επαναφορά φθαρμένων βιομηχανικών εξαρτημάτων στις αρχικές τους διαστάσεις και προδιαγραφές (component restoration). Η εταιρεία συμμετέχει επίσης σε πολλά εθνικά και ευρωπαϊκά ερευνητικά προγράμματα, εστιάζοντας στους τομείς της νανοτεχνολογίας και των βιοϋλικών.

www.ekt.gr, με πληροφορίες από ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ ΑΒΕΕ