10. NANOKOMPOZITOK Az anyagokkal szemben támasztott igényeket sokszor nem lehet egyetlen anyagfajtával (fémmel, kerámiával, polimerre) kielégíteni, hanem különféle anyagok társítása szükséges (lásd 9. fejezet Kompozitok). Míg a hagyományos kompozitokban a diszperz fázis (részecske, szál, lemez) jellemzı mérete (átmérı, vastagság) a mikrométeres tartományba esik, addig ez a méret a nanokompozitoknál 2-3 nagyságrenddel kisebb. A szokásos meghatározás szerint: a nanokompozitokban legalább az egyik komponens mérete legalább egy dimenzióban nanomérető (10-9 m). A méretek csökkenése ez esetben is egyes tulajdonságok javulását vagy újfajta tulajdonság kombinációkat eredményezhet. A nanokompozitok nagy változatosságot mutatnak a mátrix, illetve a diszperz fázis anyaga, a határréteg összetétele, valamint a diszperz fázis alakja és architektúrája szerint. A mátrixot tekintve jelenleg a polimer mátrixú nanokompozitok kutatása és fejlesztése [1-2] áll az érdeklıdés középpontjában. A fı cél a mechanikai tulajdonságok, elsısorban a szilárdság növelése a diszperz fázis segítségével. Lényegesen kevesebb munka foglalkozik a fém, illetve a kerámia [3-4] mátrixú nanokompozitokkal. A diszperz fázis morfológiáját illetıen elsısorban a szemcsés, illetve a rövid szálakat tartalmazó nanokompozitok kutatása és fejlesztése áll az elsı helyen, mivel a nanomérető erısítıszálakból napjainkban nem készíthetıek olyan hosszú szálak, mint például a hagyományos üveg- vagy szénszálakból. A nanokompozitok tulajdonságainak kialakításában döntı szerepe van a diszperz fázis és a mátrix közötti határrétegnek, melynek vastagsága esetenként összemérhetı a nanorészecskék méretével, illetve a közöttük levı távolsággal. A határréteg összes térfogata az egész nanokompozit térfogatának jelentıs hányadát alkothatja. A nanokompozitok elıállítása új kihívásokat jelent. A hagyományos kompozitok elıállítása gyakran két lépésben történik: a diszperz fázist és a mátrixot külön-külön állítják elı, majd újabb mővelettel egyesítik (ex-situ eljárások). A diszperz fázis méretének csökkentésével ez az út esetenként egyre nehezebben járható, mivel a nano mérető részecskék bekeverése és homogén eloszlatása a mátrixban egyre nehezebbé válik. Ezért számos olyan eljárást dolgoztak ki, melyeknél egyetlen mőveletben történik a diszperz fázis létrehozása és a kompozit elıállítása (in-situ eljárások) pl. mechanikai ötvözés, szol-gél eljárások, stb. A különbözı nanokompozitokat világszerte nagy erıkkel kutatják. Számos anyag van a kutatás vagy a fejlesztés szakaszában, másokból már kereskedelmi termék lett. Elterjedésük számos mőszaki és gazdasági tényezıtıl függ. Az egyik kulcskérdés a diszperz részecskék (pl. szén nanocsövek) árának alakulása. Tudományos téren a szerkezet-tulajdonság kapcsolat számos kérdése vár még tisztázásra. Jelen fejezet a mátrix anyaga szerint tárgyalja a nanokompozitok nagyon szerteágazó témakörét. Fıleg olyan példák bemutatásával foglalkozik, melyek gyakorlati megvalósítása elkezdıdött vagy a közeljövıben várható. 10/1
10.1 Polimer mátrixú nanokompozitok A mátrix különféle polimer lehet, a hıre lágyuló illetve a hıre keményedı polimereket egyaránt tanulmányozták. A diszperz fázis szempontjából a kutatások eddig leginkább a szén nanocsövekre és egyes réteges szilikátokra terjedtek ki. A szén nanocsövek alkalmazása azért ígéretes, mivel ezek rugalmassági modulusza a legnagyobb (kb. 1.7 TPa) az ismert anyagok közül és a szálerısítés szempontjából fontos alak-tényezı, az átmérı és a hossz aránya (aspect ratio, karcsúság ) ugyancsak kedvezı [5-6]. Jellegzetes adatok: egyesfalú szén nanocsı (SWCNT) átmérıje 0.5 1.0 nm, hosszúsága 1-5 µm, szemben a hagyományos kompozitokban használt rövid üveg- vagy szénszálakkal, melyek átmérıje jellegzetesen 5-10 µm], hosszúsága pedig 50-100 µm. A szén nanocsövek kiváló mechanikai tulajdonságait nem könnyő a gyakorlatban kihasználni. Különleges alakjuk, a közöttük ható van der Walls erık inkább a részecskék agglomerációja (gömbszerő gubancok kialakulása), mint homogén eloszlatása irányába hat. Az elıállítás hımérséklete a legtöbb polimer esetén nem haladhatja meg a 250 C-ot. A polimer olvadék megszilárdulásakor jelentıs térfogat csökkenés következik be, melynek eredményeképpen kialakuló belsı feszültségek roncsolhatják a szén nanocsöveket. Kevéssé ismert a nanocsövek és a mátrix közötti határréteg, a közöttük kialakuló kötés erıssége, pedig ennek ismerete alapvetıen fontos a terhelés átadás mechanizmusának megértése szempontjából. Számos megfigyelés áll rendelkezésre különféle polimer mátrix esetében, de ezekbıl csak kevés általános következtetés vonható le jelenleg. A polimer mátrix tulajdonságainak módosítása gyakran szervetlen vegyületek beépítésével történik (szerves-szervetlen hibrid kompozitok). Kialakításuk azért különleges, mivel kémiai szempontból nagyon különbözı szerves mátrix és szervetlen diszperz fázis társítása következik be. PMMA mátrix és 5 súly% nanomérető alumíniumoxid szemcsét tartalmazó nanokompozit nyúlási diagramja. Az inzert a törési felületet mutatja [7]. 10/2
A mőanyagok gyártásában régóta használnak szervetlen töltı anyagokat (filler) a polimer mátrix szilárdságának és szívósságának növelésére, a gyúlékonyság csökkentésére, vagy egyszerően a költségek mérséklésére. Az elızı ábra az egyébként rideg polimetilmetakrilát (PMMA) szívósságának növelésére mutat be példát, a töltıanyag 5 súly% nanomérető alumíniumoxid szemcse [7]. A polimer mátrixú hibrid nanokompozitok közül az agyagásvány diszperz részecskéket tartalmazók érdemelnek megkülönböztetett figyelmet. Az agyagásvány összefoglaló néven réteges szerkezető szilikátokat értünk. Jellegzetes képviselıjük a montmorillonit. Kristályrácsuk kétdimenziós rétegekbıl épül fel, melyek vastagsága1 nm körül van, oldalirányú kiterjedésük a 30 nm-tıl több µm-ig tart. Mindegyik réteg tetraéderesen koordinált Si atomokból (SiO 2 tetraéderek) és oktaéderesen koordinált Al(OH) 3 vagy Mg(OH) 3 síkokból áll [8]. A rétegeket gyenge van der Walls erık kötik össze. A rétegek között kismérető kationok találhatók, melyek megfelelı kémiai kezeléssel [9] - nagyobb mérető szerves kationokra cserélhetık ki. A csere eredményeképpen néhány nanométer vastagságú lemezkék keletkeznek. A részecskék és a polimer közötti kölcsönhatás erısségétıl függıen háromféle szerkezet jöhet létre [8]: Egy jellegzetes réteges szilikát (2:1 phyllosilicate) szerkezete.[8] Réteges szilikátok és a polimer kölcsönhatása révén kialakuló elrendezések [8] Az (a) eset a hagyományos kompozitokra jellemzı, melyekben az agyagásvány részecske nem esik szét lemezkékre. A (b) esetben a réteges szerkezet fellazul és a szilikát rétegek közé egy (vagy néhány) polimer réteg ékelıdik be (interkalált elrendezıdés). A (c) esetben a kölcsönhatás erıs és a lemezkék egyenletesen oszlanak el a polimer mátrixban (delaminált elrendezıdés). A delamináció következtében minden részecske több száz vagy ezer lemezre hasad szét. Azonos térfogathányad esetén is drámai módon megnı a szervetlen/szerves határfelület nagysága, erısen lecsökken a lemezkék közötti távolság és a szerves molekulák nagy részének szervetlen szomszédja lesz. Mindez már aránylag kis (5 % vagy kisebb) térfogati hányad esetén is a mechanikai tulajdonságok jelentıs javulását eredményezheti [10]. Nagyobb térfogat arány esetén ez a tendencia nem folytatódik és ugyanennél a mátrixnál nagy mennyiségő (48 súly%) hagyományos üvegszál bevitelével a 10/3
mechanikai tulajdonságok lényegesen jobban javíthatók. A következı ábrán a nyúlási szilárdságot és a Young modulust hasonlítjuk össze a nylon, a 4 % agyagásványt tartalmazó nanokompozit és a 48 súly% üvegszálat tartalmazó hagyományos kompozit esetén: A Young modulus függése a töltıanyag térfogat hányadától agyagásvány/nylon-6 nanokompozitban és hagyományos, üvegszállal erısített nylon-8 kompozitban [10] Az agyagásványt tartalmazó nanokompozit elınye tehát a kismennyiségő töltıanyag esetén nyilvánul meg. Esetenként ez nagyon fontos lehet, hiszen a nagyobb mennyiségben bevitt töltıanyag a kompozit fajsúlyát növeli, a mátrix kedvezı tulajdonságát, a rugalmasságot vagy az átláthatóságot lerontja, a kompozitot rideggé teheti. Az elıállítás szempontjából is könnyebbséget jelent a kisebb térfogat-hányad mivel így a diszperz fázis a hagyományos technológiákkal bekeverhetı a polimer olvadékba (nagyobb mennyiségő töltıanyag a polimer olvadék viszkozitását jelentısen megnöveli). Az agyagásvánnyal erısített nylon-6 nanokompozitok fejlesztésében és alkalmazásában a TOYOTA cég játszott úttörı szerepet a múlt század kilencvenes éveiben. Napjainkban több más gépkocsi gyártó cég alkalmazza ezeket a nanokompozitokat egyes alkatrészekben [3]. A nyúlási szilárdság és a Young modulus öszszehasonlítása a nylon6 mátrix, a legjobb nylon6 4% tartalmú nanokompozit és egy hagyományos, nylon6 mátrixban 48 súly% üvegszálat tartalmazó kompozit esetén [10] 10/4
A polimer mátrixú kompozitok gyakorlati alkalmazásakor fontos szerepe lehet a kompozit elektromos vezetıképességének, mivel sok esetben lényeges követelmény az elektrosztatikus feltöltıdés elkerülése. Az elektromosan szigetelı polimer mátrix vezetıképességét elektromosan vezetı diszperz részecskék beépítésével lehet növelni. A részecskék térfogatarányának növelésével többé-kevésbé összefüggı, elektromosan vezetı, háromdimenziós hálózat hozható létre (perkoláció) [11]. A perkoláció kialakulása [11] A diszperz részecskék alakja elsısorban a hossz/átmérı arány döntı módon meghatározza, hogy milyen térfogathányadnál alakul ki összefüggı hálózat (perkolációs küszöb). A perkolációs küszöb függése a hossz/átmérı aránytól (P. Collins, J. Hagerstrom: http://www.fibrils.com/technology2.htm) A nagy alaktényezıs (aspect ratio) szén nanocsövek már aránylag kis térfogathányadban is három-dimenziós hálózatot képeznek és a mátrix elektromos vezetıképességét jelentısen megjavítják. Szén nanocsıvel (a), korom és rézklorid keverékével (b), illetve csak korommal (c) töltött epoxigyanta elektromos vezetı-képessége a töltıanyag térfogati hányada függvényében [12]. 10/5
Jelenleg többféle polimer mátrixú kompozit kapható a kereskedelemben, melyek szén nanocsöveket tartalmaznak a vezetıképesség javítása céljából. 10.2 Fémmátrixú nanokompozitok A fémmátrixú nanokompzitok széles skáláját tanulmányozták az elmúlt évtizedekben. Kedvezı eredményeket értek el egy különleges mikroszerkezet, az amorf mátrixban kristályos részecskéket tartalmazó szerkezeti és mágneses anyagok körében. A lágymágneses nanokompozitok kutatása több mint 15 éves múltra tekint vissza. 1988-ban a HITACHI METALS Co. kutatói arról számoltak be, hogy a korábbiaknál kedvezıbb tulajdonságú lágymágneses anyagot sikerült kifejleszteniük Nb és Cu ötvözıelemeket tartalmazó amorf Fe-Si-B szalagok részleges átkristályosításával [13]. Az anyagot késıbb FINEMET márkanéven hozták kereskedelmi forgalomba. A késıbbi kutatások, melyekbe magyar kutatócsoportok is bekapcsolódtak [14], azonosították a kialakuló mikroszerkezet összetevıit és felderítették a kristályosítási folyamat mechanizmusát. A hıkezelés hatására az amorf mátrixban nanomérető Fe- Si kiválások alakulnak ki. A Cu elısegíti a kristálycsírák keletkezését, a Nb pedig gátolja a gócok növekedését [14]. A FINEMET típusú nanokomkozit mikroszerkezete: bal oldalon: a mátrix összetételének változása a Fe-Si kiválások környezetében, jobb oldal: a részleges kristályosodás folyamata [15] A FINEMET különleges mikroszerkezete kiváló lágymágneses tulajdonságokat eredményez: az eddigi legnagyobb permeabilitást (µ) és telítési indukciót (J s ), ahogy ez a különbözı lágymágneses anyagok összehasonlításából kitőnik [15]. A permeabiltás és a telítési indukció kapcsolata néhány lágymágneses anyagcsaládnál [15]. 10/6
A telítési mágnesezettség értékét tovább növelték Zr alapú amorf ötvözetek részleges átkristályosításával: így fejlesztették ki a NANOPERM (Fe-Zr-Nb-Cu) és a HITPERM (Fe-Co-Zr-Cu-B) lágymágneses ötvözet családokat. Elıállításuk lényegesen bonyolultabb a FINEMET-nél, a Zr nagy reakcióhajlama miatt, ezért kevéssé terjedtek el a gyakorlatban. A FINEMET ötvözetek sikere ráirányította a figyelmet a koercitív erı és a szemcseméret közötti összefüggés tanulmányozására tág szemcseméret tartományban. Herzer különbözı lágymágneses anyagok szemcseméretének és koercitív erejének összehasonlításakor azt találta, hogy a koercitív erı a szemcsemérettel maximum görbe szerint változik: a hagyományos lágymágneses polikristályos anyagoknál: H c nı a szemcseméret csökkenésével, (1/D szerint), a nanométeres tartományban viszont nagyon meredeken (D 6 szerint) csökken. Az összefüggést sikerült elméletileg is értelmeznie [16]. A koercitív erı függése az átlagos szemcsemérettıl különféle lágymágneses anyagok esetén [16]. Az amorf ötvözetek részleges átkristályosításával készített mágneses nanokompozitok a legkedvezıbb tulajdonságú lágymágneses anyagok közé tartoznak. Gyártásuk ipari méretekben folyik (Vacuumschmelze GmbH, HITACHI Metals Co) [17]. Ezeket az anyagokat fıleg a néhány száz khz-es tartományban használják transzformátorként és egyéb induktív elemként. Hazánkban a MAGNETECH Hungaria Kft. gyárt induktív elemeket, importált alapanyagból. A Fe-Nd-B típusú keménymágneses ötvözetek tulajdonságait is sikerült speciális nanokiválások kialakításával javítani, de ezek alkalmazása nincs még olyan elırehaladt állapotban, mint a lágymágneses nanokompozitoké [18]. Az amorf mátrixban nanomérető kristályos kiválásokat tartalmazó mikroszerkezet elınyısnek bizonyult a mechanikai tulajdonságok szempontjából is. Inoe és munkatársai Al-Ni-Y, Al-Gd-Fe (általában Al-átmeneti fém-ritkaföldfém) ötvözetek részleges (20-30 %) átkristályosításával az amorf mátrixban 3-10 nm-es Al krisztallitokat alakítottak ki. Ezen speciális nanokompozitok szilárdsága, keménysége és kopásállósága lényegesen kedvezıbb volt, mint akár az egyfázisú amorf mátrixé vagy a hagyományos kiválásosan keményített Al ötvözeteké [19-22]. Az alkalmazás további távlatait nyitotta meg az a felismerés, hogy egyes tömbi amorf ötvözetek részleges átkristályosítása nanomérető intermetallikus kiválásokat eredményez az amorf mátrixban [22]. A módszer egyik változatánál további hıkezeléssel az amorf mátrixot teljesen átkristályosítják. Így olyan mikroszerkezetet 10/7
kapnak, mely 100 200 nm szemcséjő Al márixban 50 nm körüli szemcsemérető (kristályos) intermetallikus fázist tartalmaz. Szilárdsága 800-1000 MPa körül van, GIGAS TM márkanéven forgalmazzák. A fémmátrixú nanokompozitok elıállításának másik gyakran használt módja a nagyenergiájú mechanikai ötvözés. Ezzel az eljárással fémes mártrixba (fém részecske belsejébe), nanomérető kerámia szemcsék építhetık be (lásd 4.5 Mechanikai ötvözés). Nanokompozit szemcsék kialakulása nagyenergiájú mechanikus ötvözéskor [23]. Az ırlés kezdetén a fém és kerámia részecskék átmérıje a mikrométeres tartományba esik. Az ütközések következtében a fémes részecskékben képlékeny alakítás és törés következik be, a kerámia részecskékben viszont leginkább törés következik be. A kerámia részecskék mérete mindaddig csökken, amíg a részecske törési szilárdsága és az ütközések által okozott feszültség azonossá válik. A kerámia részecskék mérete nem csökken tovább; az átmérı ilyenkor a néhány nanométer 100 nm mérettartományba esik [23]. A keletkezett nanokompozit szemcséket hagyományos porkohászati módszerekkel (gyakran HIP-pel) tömörítik. 10.3 Kerámia mátrixú nanokompozitok A kerámia mátrix maga általában nagy szilárdságú és nagy modulussal rendelkezik, ezért a kerámia mátrixú kompozitok fejlesztésénél nem annyira a szilárdság, inkább a kerámiák hátrányos tulajdonságának, a ridegség csökkentése lenne a cél. A hagyományos kerámia mátrixú kompozitokban jelentıs mértékben sikerült a mátrix szívósságát növelni, a mátrixhoz aránylag gyengén kötıdı kerámia vagy fém erısítıszálak bevitelével (lásd 9. Kompozitok). Újabban számos munka irányul annak tisztázására, hogy a nanoszerkezet kínál-e további fejlesztési lehetıségeket. A kerámia mátrixú nanokompozitokban különféle mikroszerkezetek alakíthatók ki. Eddig fıleg azokat a rendszereket vizsgálták, melyekbena mátrix szemcsemérete a mikrométerek, a diszperz fázis jellemzı mérete pedig a nanométeres tartományba esik (mikro-nano kompozitok). A nanorészecskék elhelyezkedhetnek a mátrix szemcsék belsejében (intra típus), a szemcsehatárokon (inter típus) vagy vegyesen (intra-inter típus) (következı ábra (a)). Lényegesen nehezebb olyan nanokompozitokat készíteni, melyekben a kerámia mátrix áll nanomérető szemcsékbıl (következı ábra (b)) [24]. 10/8
A kerámia mátrixú nanokompozitok osztályozása: a) nano mérető részecskék különbözı mátrixban, b) nanorészecskék nanoszemcséjő mátrixban [24] A mikro-nano típusú kompozitok körében leginkább a SiC részecskék hatását vizsgálták, elsısorban Al 2 O 3 és Si 3 N 4 mátrixban. Készítésükre a hagyományos porkohászati módszerek használhatók. Különös gondot kell fordítani a diszperz fázis homogén eloszlatására, a részecskék agglomerációjának elkerülésére. A zsugorítás legtöbbször HIP-peléssel történik (lásd 4. Porkohászat). Jellegzetes paraméterek: 1500 1600 C, 20 40 MPa 5 % SiC esetén. Számos egyéb módszer leírása is megtalálható az irodalomban, ezek közül a mechanikai ötvözést és a szol-gél eljárásokat használják a leggyakrabban [3] Az eddigi kutatásokból kevés általánosítható következtetés vonható le a mechanikai tulajdonságokat illetıen: a szilárdság sok esetben jelentısen, a szívósság mérsékelten növekedett, a kopással szemben kifejtett ellenállás általában javult. Al 2 O 3 /SiC nanokompozit szilárdságának és szívósságának függése a SiC tartalomtól (különbözı szerzık mérései) [3] 10/9
A szilárdság változása több tényezı együttes hatásaként jelenik meg. Több esetben tapasztalták, hogy a diszperz fázis beépítésnek hatására a mátrix átlagos szemcsemérete csökken. Ez önmagában is a szilárdság növekedését eredményezheti (Hall-Petch effektus). A diszperz fázis hasonló mechanizmusok szerint javíthatja a szívósságot, mint amilyeneket a hagyományos kompozitoknál figyeltek meg. Jelenleg intenzív munka folyik kvantitatív modellek kidolgozására, az eredmények egységes értelmezése érdekében [24-26]. Számos szerzı vizsgálta a szén nanocsövek hatását a kerámia mátrix különbözı tulajdonságaira. A mechanikai tulajdonságokat illetıen nem alakult ki végleges álláspont. Egyértelmő összefüggéséket sikerült viszont találni a beépített szénszálak térfogat aránya és az elektromos vezetıképesség között. Eszerint a hosszú, elektromosan vezetı szálakból három dimenziós hálózat alakul ki (perkoláció), amely elısegíti az áram vezetését, aránylag kis térfogathányad (< 5 tf%) esetén is A vezetıképesség (σ) egyszerő hatványfüggvény szerint függ a szén nanocsövek térfogat arányától (ρ): σ = k(ρ ρ t )t ahol t = 1.74, ρ t =0.64 (perkolációs küszöb) [27]. Az eddigi vizsgálatok bíztatóak az elektromosan vezetı kerámia mátrixú nanokompozitok fejlesztése szempontjából. 10.4 Nanokompozit bevonatok Az elmúlt évtizedek rohamos technikai fejlıdése ráirányította a figyelmet a szerkezeti anyagok tribológiai tulajdonságainak kutatására, különleges felületi rétegek kidolgozására. A gyorsan mozgó felületek és a nagysebességő megmunkálások olyan rétegek kidolgozását tették szükségessé, melyek a kopásállóságot, kis súrlódást még extrém feltételek (magas hımérséklet, korrozív atmoszféra) esetében is biztosítják. A kopásállóság kvantitatív nehezen jellemezhetı tulajdonság, hiszen mindég legalább két anyag kölcsönhatásáról van szó, és mértéke a kölcsönhatás környezetétıl (száraz vagy nedves környezet), továbbá a mozgás jellegétıl (csúszó vagy egyéb súrlódás) is függ. A kopásállóság nem azonos a keménységgel, hiszen kialakításában egyéb - gyakran egymásnak ellentmondó - igényeket, fıleg a szívósságot továbbá a termikus és kémiai stabilitást is figyelembe kell venni. A keménység döntı szerepét persze nem lehet kétségbe vonni. A nanokristályos tömbi anyagoknál tapasztalt keménység növekedés intenzív kutatásokat indított el a tribológiai tulajdonságok gyakorlati értékesítése érdekében. Az csakhamar kiderült, hogy egyedül a szemcseméret csökkentése nem elegendı különlegesen kemény rétegek kialakítására. Ugyanakkor egyes többkomponenső, speciális mikroszerkezető felületi rétegekkel kiváló eredményeket lehet elérni. A továbbiakban a fejlesztés fıbb irányait vázoljuk fel és rámutatunk a minısítés nehézségeire is. Az olvasó további részleteket talál az újabban megjelent összefoglaló cikkekben [28-31]. Nanokristályos WC/Co bevonatok.- Az ipar régóta használ WC/Co szemcsés kompozitokat tömbi anyag formájában, különösen megmunkáló szerszámokban. A WC szemcsék biztosítják a nagy keménységet, a kobalt pedig a szívósságot. A két komponens arányának változtatásával a kívánt keménység/szívósság arány beállítható. 10/10
A hagyományos keményfémekben a WC szemcsemérete jellegzetesen néhány µm körüli érték. A korai vizsgálatok igazolták, hogy a szemcseméret csökkentésével a keménység jelentısen növelhetı. A keményfém réteg kialakításának elsı lépése: nanoszemcsés WC/Co por elıállítása (gyakran mechanikai ötvözéssel). A megfelelıen elıkészített (részben agglomerált) port ezt követıen általában termikus szórással, nagysebességő oxygén tartalmú lánggal (high velocity oxygen fuel) viszik fel a szubsztrát felületére. Jelenleg talán ez az eljárás áll legközelebb az ipari megvalósításhoz [30]. Többrétegő bevonatok.- Kedvezı keménységet lehetett elérni periódikusan változó felületi rétegszerkezetekkel is. Az egyes rétegek vastagsága 5 10 nm között változott. Különösen kedvezı eredmények születtek fémnitrid/fém, illetve különbözı fémnitridek rétegszerkezeteiben, pl. TiN/Nb, TiN/VN, ZrN/CN x kombinációkban. A keménység értéke meghaladta a szuperkemény rétegekre jellemzı 40 GPa feletti értékeket. A rétegek tulajdonságai viszont erısen függtek az egyes rétegek vastagságától és stabilitásuk sem bizonyult kielégítınek. Amorf mátrixban nanoszemcsék.- Jelenleg azok a szuperkemény felületi rétegek tőnnek a legkedvezıbbnek, melyekben nanoméretı részecskék vannak amorf mátrixba beágyazva. Ilyen rétegek CVD módszerekkel vagy CVD eljárásokkal alakíthatók ki. A vizsgált rendszerek közül kitőnnek a nanokristályos TiN/ amorf BN és a nanokristályos TiN/ amorf TiB x /amorf BN bevonatok. A nanokristályos szemcsék átmérıje 10 40 nm között van. Keménységük eléri a 45 50 GPa-t és termikus stabilitásuk is megmarad 900 C-ig [31]. Nem egyszerő feladat a vékony (néhány µm-es), nagyon kemény felületi bevonatok keménységének meghatározása. Erre a célra a felületi alagút mikroszkópoknál használt elvet hasznosító, ú.n. nanoindentitás módszereket fejlesztettek ki. Az egyes szerzık által használt mérési módszerek egymástól nagymértékben különböznek, ami megnehezíti az eredmények összehasonlítását. 10/11
Irodalom [1] R.A. Vaia and H.D. Wagner: Framework for nanocomposites, Materials Today 7 (2004) 32-37 [2] H. Fischer: Polymer nanocomposites: from fundamental research to specific applications, Mater. Sci. Eng. C 23 (2003) 763-772 [3] M. Sternitzke: Review: Structural ceramic nanocomposites, J. Eur. Ceram. Soc. 17 (1997) 1061-1082 [4] B. Derby: Ceramic nanocomposites: mechanical properties, Current Opinion in Solid State and Materials Science 3 (1998) 490-495 [5] Kin-Tak Lau, D. Hui: The revolutionary creation of new advanced materials carbon nanotube composites, Composites B 33 (2002) 263-277 [6] E.T. Thostenson, Zhifeng Ren, Tsu-Wei Chou: Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review, Comp. Sci. Technol. 61 (2001) 1899-1912 [7] R.W. Siegel, S.K. Chang, B.J. Ash, J. Stone, P.M. Ajavan, R.W. Doremus, L.S. Schadler: Mechanical behavior of polymer and ceramic matrix composites, Scripta mater. 44 (2001) 2061-2064 [8] M. Alexandre, P. Dubois: Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class of materials, Mater. Sci. Engr. R 28 (2000) 1-63) [9] G. Kickelbick: Conceps for the incorporation of inorganic building blocks into organic polymers on a nanoscale, Prog. Polym. Sci. 28 (2003) 83-114 [10] Fenegge Gao: Clay/polymer composites: the story, Materials Today 7 (2004) 50-55 [11] D.T. Colbert: Single-wall nanotubes: a new opinion for conductive plastics and engineering polymers, Plastics Additives & Compounding 5 (2003) 18-25 [12] J. Sandler, M.S.P. Shaffer, T. Prasse, W. Bauhofer, K. Schulte, A.H. Windle: Development of a dispersion process for carbon nanotubes in an epoxy matrix and the resulting electrical properties, Polymer 40 (1999) 5967-5971 [13] Y. Yoshizawa, S. Oguma and K. Yamauchi: New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure, J. Appl. Phys. 64 (1988) 6044-46 [14] A. Lovas, L.F. Kiss, B. Varga, P. Kamasa, I.Balogh and I. Bakonyi: Survey of magnetic properties during and after amorphous-nanocrystalline transformation, J. Phys. IV France 8 (1998) Pr2-291-298 [15] M.E. McHenry, D.E. Laughlin: Nano-scale materials development for future magnetic application, Acta mater. 48 (2000) 223-238 [16] G. Herzer: Soft magnetic nanocrystalline materials, Scripta Metall. Mater. 33 (1995) 1741-1756 [17] J. Petzold: Applications of nanocrystalline softmagnetic materials for modern electronic devices, Scripta mater. 48 (2003) 895-901 [18] G.C. Hadjipanayis: Nanophase hard magnets, J. Magn. Magn. Mater.200 (1999) 373-391 10/12
[19] A. Inoue: Amorphous, nanoquasicrystalline and nanocrystalline alloys in Albased systems, Prog. Mater. Sci. 43 (1998) 365-520 [20] A. Inoue, H. Kimura: High-strength Al-based nanostructure alloys, Current Opinion in Solid State and Mater. Sci. 2 (1997) 305-310 [21] A.L. Greer: Partially or fully devitrified alloys for mechanical properties, Mater. Sci. Eng. A304-306 (2001) 68-72 [22] A. Inoue: Bulk amorphous and nanocrystalline alloys with high functional properties, Mater. Sci. Eng. A304 (2001) 1-10 [23] D.L. Zhang: Processing of advanced materials using high-energy mechanikal milling, Prog. Mater. Sci. 49 (2004) 537-560 [24] J.D. Kuntz, G.-D. Zhan, A.K. Mukherjee: Nanocrystalline-matrix ceramic composites for improved fracture toughness, MRS Bulletin Jan. 2004 22-27 [25] H. Awaji, S.-M. Choi, E. Yagi: Mechanisms of toughening and strengthening in ceramic-based nanocoposites, Mech. Mater. 34 (2002) 411-422 [26] S.-M. Choi, H. Awaji: Nanocomposites-a new material design concept, Sci. Techn. Adv. Mater. 6 (2005) 2-10 [27] S. Rul, F. Lefévre-schlick, E. Capria, Ch. Laurent, A. Peigney: Percolation of single-walled carbon nanotubes in ceramic matrix composites, Acta Mater. 52 (2004) 1061-1067 [28] J. Musil: Hard and superhard nanocomposite coatings, Surf. Coat. Techn. 125 (2000) 322-330 [29] R.A. Andrievski: Superhard materials based on nanostructured high-melting point compounds: achievements and perspectives, Int. J. Refr. Metals & Hard Materials 19 (2001) 447-452 [30] J. He, J. M. Schoenung: A review on nanostructured WC-Co coatings, Surf. Coat. Techn. 157 (2002) 72 79 [31] P. Karvankova, M.G.J. Veprek-Heijman, O. Zindulka, A. Bergmaier, S. Veprek: Superhard nc-tin/a-bn and nc-tin/a-tib x coatings prepared by plasma CVD and PVD: a comparative study of their properties, Surf. Coat. Technol. 163-164 (2003) 149-156 További irodalom: Pulickel M. Ajayan, Linda S. Schadler, Paul V. Braun: Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH, 2003 239 pp, 3527-30359-6 10/13