Metody diagnostyczne część Agaty Obstarczyk PDF

KOLOKWIUM Metody diagnostyczne część Agaty Obstarczyk **Zwilżalność powierzchni materiałów** Zwilżalność -- zdolność cieczy do rozprzestrzeniania się na danej powierzchni.... obniżamy energię powierzchniową... ? Siły adhezji -- siły przyciągania między powierzchnią ciała stałego a cieczą lub gaz...

KOLOKWIUM Metody diagnostyczne część Agaty Obstarczyk **Zwilżalność powierzchni materiałów** Zwilżalność -- zdolność cieczy do rozprzestrzeniania się na danej powierzchni.... obniżamy energię powierzchniową... ? Siły adhezji -- siły przyciągania między powierzchnią ciała stałego a cieczą lub gazem. Wynikają z oddziaływań międzycząsteczkowych, tj. siły van der Waalsa, siły dipol-dipol czy siły jonowo-dipolowe. Siły adhezji decydują o tym, czy ciecz będzie zwilżać daną powierzchnię, czy też nie, oraz o przyczepności między dwoma różnymi materiałami. Siły kohezji występują między cząsteczkami tego samego rodzaju, czyli w obrębie jednego ośrodka. Przyczyniają się do utrzymywania skupisk cząsteczek w jednej masie. Siły kohezji decydują o takich właściwościach jak napięcie powierzchniowe, kapilarność, konsystencja cieczy, czy struktura materiałów. Napięcie powierzchniowe [*σ* \[*mN**m*^2^\]]{.math.inline}. Pomiar zwilżalności -- pomiar kąta zwilżania. Powierzchnie ciał stałych - Podział: o dużych energiach powierzchniowych i małych energiach powierzchniowych. Kąt zwilżania [*θ*]{.math.inline} - kąt, jaki tworzy styczna do powierzchni kropli pomiarowej osadzonej na powierzchni ciała stałego, w punkcie styku trzech faz stałej (S), ciekłej (L) i gazowej (V): \- superhydrofilowe [*θ* \ jasne \- mikroskopia wysokorozdzielcza (HR -- high resolution) -- pozwala na bezpośrednie obrazowanie; najwyższa rozdzielczość punktowa 0,5A Wzór dyfr. i obraz pozostają w tylnej płaszczyźnie ogniskowej i płaszczyźnie obrazu soczewki obiektywu Kontrast dyfr. umożliwia obserwacje... Zalety TEM: \- bardzo duże powiększenie i rozdzielczość, \- szeroki zakres zastosowań, \- informacje o strukturze, składzie materiału, \- wysoka rozdzielczość. Wady TEM: \- duże i bardzo drogie, \- pracochłonne przygotowanie próbek, \- wymagane specjalistyczne przeszkolenie, \- próbki są ograniczone do małych, rozmiary (um) muszą być przeźroczyste dla elektronów, \- wymagana specjalistyczna obudowa i konstrukcja, \- obrazy są czarno-białe. **Właściwości mechaniczne nanomateriałów** Twardość -- wyraża wielkość oporu stawianego przez materiał podczas odkształcenia plastycznego. Zdolność materiału do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym przy wzajemnym nacisku dwóch ciał stykających się bardzo małymi powierzchniami. Wielkość niefizyczna. Skala Mohsa − dziesięciostopniowa skala twardości minerałów charakteryzująca odporność na zarysowania materiałów twardszych przez materiały bardziej miękkie. Twardość (skala Mohsa) Minerał wzorcowy Twardość absolutna --------------------------------------------------------------- ------------------ -------------------- 1 talk 1 2 gips 2 3 kalcyt 9 4 fluoryt 21 5 apatyt 48 6 ortoklaz 72 Minerały nie dające się zarysować nożem ani stalą narzędziową 7 kwarc 100 8 topaz 200 9 korund 400 10 diament 1600 Powolne uciskanie wgłębnika w materiał pod działaniem stałej lub stopniowo wzrastającej siły o określonej wartości -\> pomiar twardości \- metoda Brinella -- wgłębnik kulisty (twardość Brinella HBW) \- metoda Rockwella -- sfera/stożek, obciążenie dwustopniowe (wstępne, później zasadnicze) -- głównie badanie odporności na zarysowanie, \- metoda Vickersa (HV) -- diamentowy ostrosłup o podstawie kwadratu, \- metoda Berkovicha -- ostrosłup o podstawie trójkąta. Nanoindentacja: \- dwie fazy: obciążenia i odciążenia, \- zakres \[nm\] \- pomiar siły \[µN\] z rozdzielczością nN nacisku wgłębnika i głębokości wgłębienia \- uzyskanie modułu elastyczności oraz twardości \- pośredni pomiar powierzchni kontaktu między wgłębnikiem a badanym. Po usunięciu indentera materiał zachował się sprężyście i główna indentacja była mniejsza w porównaniu do głębokości przy max sile nacisku. Odporność na zarysowania: \- test Rockwella -- uszkodzenia: \- kohezyjne, \- adhezyjne. \- test Bayera (oscylacyjny test ścieralności): \- do badania powłok cienkowarstwowych, \- im wyższy współczynnik Bayera tym wyższa odporność na ścieranie zarysowania \- ocena zmatowienia i zmiany przeźroczystości. \- test wełny stalowej: \- pocieranie próbki wełną stalową o gradacji 0 lub 00 i docisku 1800g ± 200g, \- test zdany, gdy po skończonym teście nie widać głębszych zarysowań. \- test ołówka (test twardości wg Wolfa-Wilborna): \- najczęściej stosowany do badania powłok naniesionych np. na polimery, \- ołówki od 8B do 7H -\> 17 sztuk, od najbardziej twardego, \- test dotąd, aż nie będzie zarysowań. \- kieszonkowy test twardości: \- szybki, \- na płaskich i zakrzywionych powierzchni, \- dana siła nacisku \[N\]. **Powłoki optyczne** Podział ze względu na przeznaczenie: \- ochronne, \- dekoracyjne, \- funkcjonalne: \- właściwości: termiczne, elektryczne, trybologiczne, fiz-chem, biologiczne, optyczne. Powłoka optyczna -- powłoka, której podstawową rolą jest uzyskanie zadanego przebiegu charakterystycznej transmisji, odbicia lub emisji światła, w określonym zakresie spektralnym (200 -- 2500 um): \- jednowarstwowe, \- wielowarstwowe. Metody wyznaczania powłok optycznych: \- funkcjonalizacja, \- podział ze względu na właściwości (termiczne, elektryczne, trybologiczne, fi-che, biologiczne). Ze względu na możliwość oddziaływania na zakres oraz natężenie światła odbijającego, przepuszczanego i emitowanego: \- pasywne - powłoka o z góry zadanej spektralnej charakterystyce transmisji lub odbicia światła; parametry nie powinny ulegać zmianie pod wpływem temperatury itd. \- aktywne -- pod wpływem określonego czynnika zewnętrznego (zmiana temperatury, oddziaływanie atm. gazowej, przepływ prądu, działanie naprężeń mechanicznych) umożliwia uzyskanie: \- zmiany parametrów optycznych, \- emisji światła. Oddziaływanie zewnętrzne: \- zmiana temperatury, \- oddziaływanie atmosfery gazowej, \- przepływ prądu, \- działanie naprężeń mechanicznych. Zmiana właściwości optycznych zauważalna jako: \- zauważalna zmiana przezroczystości powłoki, \- zmiana jej barwy. Filtry umożliwiają przepuszczanie lub odbijanie światła tylko w określonej części widma. I podział: \- dolnoprzepustowy („hot mirror") -\> blokuje IR, \- górnoprzepustowy („cold mirror") -\> blokuje UV, \- pasmowo-przepustowy, \- pasmowo-zaporowy. II podział: \- absorpcyjne - efekt selektywnego pochłaniania światła, \- o określonej długości (f. barwne), \- w szerokim zakresie długości fali świetlnej (filtry szare). \- interferencyjne - efekt selektywnego przepuszczania lub odbijania światła, \- można uzyskać przez wygaszanie światła o określonej długości fali, \- krawędziowe: dolno- i górno przepustowe: \- p-p \- p-z \- dobierając liczbę warstw oraz rodzaj materiałów w powłoce \- filtry o praktycznie dowolnej charak. spektralnej. Parametry powłok optycznych Wielkości opisujące widmo elektromagnetyczne: \- długość fali, \- energia E, \- liczba falowa WN = 1/λ \[1/cm\], \- polaryzacja: liniowa, kołowa, eliptyczna. Właściwości optyczne ośrodka opisuje zespolona funkcja: \- przenikalności elektrycznej \- współczynnika załamania światła. Podstawowe parametry określające właściwości optyczne materiału:  Obraz zawierający tekst, pismo odręczne, Czcionka, linia Opis wygenerowany automatycznie Metody określania parametrów powłok optycznych  Obraz zawierający tekst, pismo odręczne, Czcionka, linia Opis wygenerowany automatycznie  Aktywna powłoka optyczna: \- pod wpływem określonego czynnika zewnętrznego w sposób przewidywalny i odwracalny pozwala uzyskać zmianę charakterystyki: \- transmisji, \- odbicia lub emisję światła, \- oddziaływanie zewnętrzne: temp, napięcie, przepływ gazu itp. Podział: \- luminescencyjna, \- z efektem chromowym: \- odwracalny i powtarzalny proces chemiczny lub zjawiska fizyczne, polegające na zmianie barwy lub przezroczystości: \- efekty: - gazochromowe \- termochromowe \- fotochromowe \- elektrochromowe \- piezochromowe \- materiały: tlenki metali, mieszaniny różnych tlenków \- zastosowanie: soczewki okularowe, inteligentne okna, warstwy ozdobne Elektrochromizm: \- wywoływanie pola elektrycznego, \- indukowanie przepływu ładunku -\> zmiana barwy materiału, \- odwracalny. Termochromizm: \- indukowanie termiczne zmiany właściwości optycznych, \- odwracalny, \- stopniowy lub skokowy. Gazochromizm: \- zmiana barwy w obecności określonej atmosfery gazowej, \- odwracalny, \- materiały: tlenki WOx, MgOx, stopy metali Mg-Wi. Mechanizm efektu gazochromowego: \- proces zaciemniania 1\) adsorpcja i dysocjacja H2 na powierzchni katalizatora Pt, 2\) transfer H z Pt na powierzchnię WO3 oraz och jonizacja, 3\) dyfuzja jonów H+ 4\) formowanie wakansów tlenowych i cząsteczek H2O 5\) dyfuzja wakansów tlenowych 6\) uwolnienie cząsteczek wody \- proces rozjaśniania 1\) adsorpcja i dysocjacja O2 na powierzchnię Pt, 2\) transfer atomów O na powierzchnię WO3 i dyfuzja O w głąb porów, 3\) dyfuzja O wzdłuż wewnętrznej powierzchni porów, 4\) reakcja z wakansami tlenowymi, 5\) dyfuzja wakansów tlenowych. Opis dynamiki efektów chromowych Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, pismo odręczne, Czcionka Opis wygenerowany automatycznie Dynamika efektu gazochromowego zależy od: \- badanej próbki, \- temperatury, \- rodzaju czynnika aktywnego, \- ilość czynnika aktywnego w atmosferze otaczającej próbkę itd. Temperatura wpływa na efekt gazochromowy, co powoduje jednoczesne występowanie efektu termochromowego. Powłoki luminescencyjne: \- w wyniku oddziaływania określonego czynnika zewnętrznego możliwość uzyskania efektu emisji światła, \- materiały: dielektryczna matryca, domieszki pierwiastków ziem rzadkich: TiO2:Eu -\> czerwony lub niebieski TiO2:Tb -\> zielony TiO2:Er, TiO2:Nd -\> IR **Właściwości elektrostatyczne materiałów** Ładunek elektrostatyczny -- dodatni lub ujemny nadmiarowy ładunek elektryczny. Zdolność do rozpraszania. Antystatyczność -- określa zdolność do zapobiegania gromadzenia się na jego powierzchni ładunku elektrycznego; właściwości materiału. Elektryczny ładunek statyczny powstaje, gdy: \- materiały będące we wspólnym kontakcie zostaną: \- odseparowane od siebie, \- ruchliwość nośników ładunku na jednym z materiałów jest mała. \- materiały są pocierane o siebie, \- do materiału nienaelektryzowany zbliży się materiał naelektryzowany (indukcja), \- istnieje pole elektryczne, w którym znajdzie się naładowany materiał. Metody określające właściwości antystatyczne powłok cienkowarstwowych: \- wyznaczenie rezystancji oraz rezystywności materiału (antystatyczny: 10^9^ ≤ Rs ≤ 10^12^), \- pomiar czasu zaniku ładunku statycznego z powierzchni powłoki. Kryteria oceny zdolności powierzchni do rozpraszania ładunku statycznego: \- kryterium 1/e -- spadek napięcia od wartości max do 1/e (ok. 37%), \- kryterium 10% -- spadek napięcia od wartości max do 10%. Materiał antystatyczny do taki, który rozprasza ładunek w czasie: \- poniżej 0,5 s dla kryterium 1/e, \- poniżej 2 s dla kryterium 10%.