Faza 3 –nanograf

Faza 3 – Elaborarea tehnologiei de laborator pentru procesarea pulberilor composite nanostructurate sub forma de produse sinterizate pe baza de NiAlM (M=Co sau Fe) si alumina/zirconie

Rezumat publicabil
In cadrul etapei 3 a proiectului s-au sintetizat prin procedee in solutie la presiuni si temperaturi joase pulberi compozite nanostructurate cu diferite compozitii. S-au pregatit diferite amestecuri de presare pe baza de pulberi compozite nanostructurate. Proportia de aditivi utilizata a fost selectata pe baza datelor de literatura existente (de ex: Advanced Powder Technology V, pag 94) si a experientei colectivului de lucru din IMNR –Laborator Materiale Nanostructurate in procesarea pulberilor compozite metalo-ceramice. In general prin adaugarea lubrifiantilor (stearat de magneziu) se urmareste reducerea coeficientilor de frecare interna si externa si a presiunii de comprimare necesara obtinerii unei pastile cu o anumita densitate, iar extractia pastilelor presate se efectueaza mult mai usor. Depasirea unei proportii optime de lubrifiant poate conduce la diminuarea compactizarii, a rezistentei pastilei si la amplificarea nivelului postelastic. La selectarea liantului (APV) s-a avut in vedere prezenta in pulberea compozita nanostructurata a unei cantitati semnificative de faza ceramica oxidica (alumina). Liantul organic influenteaza in special modul de aglomerare a pulberii, nivelul defectelor, caracteristicile reologice ale amestecului, compozitia chimica a produsului finit. Adaugarea unei anumite proportii de plastifiant (PEG) urmareste imbunatatirea curgerii materialului in cavitatea matritei si umplerea uniforma a acesteia. S-au efectuat studii de presare a amestecurilor pe baza de pulberi compozite nanostructurate in vederea optimizarii procesarii acestora sub forma de produse compacte. Pastilele in stare cruda au fost supuse presinterizarii urmata de sinterizare. Produsele finite au fost caracterizate din punct de vedere compozitional, microstructural si morfologic, al proprietatilor mecanice si magnetice.

Analizele SEM si EDS efectuate asupra pulberilor compozite NiAl(Fe/Co) -Al₂O₃ de tip core-shell, cu raport NiAl(Fe/Co):Al₂O₃ de 3:1, si compararea lor cu rezultatele analizelor efectuate in Etapa II a proiectului asupra pulberilor de compozitii similare dar cu raport NiAl(Fe/Co) de 5:1, conduc la urmatoarele concluzii:

1. Desi elaborate utilizand loturi diferite de pulberi de baza NiAl(Fe/Co), pulberile analizate sunt similare sub aspect morfologic si al granulatiei cu cele din Etapa II, dovedind reproductibilitatea procesului tehnologic de elaborare a lor.

2. Gradul de omogenitate compozitionala, atat in ce priveste elementele de baza ale compusului (Ni si Al intrat in compus), cat si a elementelor de aliere (Fe/Co), la ambele continuturi adoptate (5 si 10 % gr.) este ridicat, asigurand isotropia proprietatilor particulelor.

3. Gradul de acoperire si compactitatea stratului superficial de Al₂O₃ sunt superioare celor puse in evidenta pentru pulberile cu raport NiAl(Fe/Co):Al₂O₃ de 5:1 analizate in Etapa II, posibil datorita raportului mai mic adoptat intre componente (3:1 specificat mai sus), dar si imbunatatirii tehnologiei de depunere.

Din analizele SEM si EDS intreprinse in sectiuni slefuite ale probelor de materiale compozite sinterizate NiAl(Fe/Co) – Al₂O₃, deci in volumul acestora, a rezultat cu certitudine ca stratul ceramic de acoperire s-a pastrat in timpul sinterizarii. Mai mult, legaturile dintre particule la sinterizare s-au realizat prin intermediul acestui strat, nefiind evidentiata participarea miezului de NiAl(Fe/Co) la realizarea lor.

Analizele efectuate la mariri de ordinul a 10000 ÷ 40000 de ori au evidentiat existenta unor punti de legatura intre particule bine dezvoltate, care creeaza premisele unei rezistente suficient de ridicate. S-a remarcat insa si existenta unei retele de pori interpatrunsi de proportie relativ ridicata care, desi au muchiile rotunjite deci exercita un efect relativ redus ca si concentratori de tensiuni, diminueaza sectiunea efectiva de preluare a sarcinilor si implicit rezistenta mecanica. Este deci necesara cresterea temperaturii sau cel putin a duratei de sinterizare, pentru inchiderea cel putin partiala a acestor pori.

Sub aspect compozitional, continuturile de aluminiu si oxigen determinate prin analiza compozitionala EDS sunt mult mai mari decat cele de Ni, respectiv Fe/Co si mai mari decat cele corespunzatoare pulberilor compozite din care s-au realizat compactele sinterizate. Exista o explicatie in acest sens si anume: stratul superficial de Al₂O₃ este suficient de gros si de compact spre a exercita un efect de ecranare, analiza EDS fiind superficiala. Valorile obtinute demonstreaza ca aceasta cauza este reala si a intervenit efectiv in determinari. Chiar la concentratiile mici obtinute, distributia elementelor de aliere ale NiAl (Fe si Co) s-a dovedit suficient de uniforma pentru ca ele sa-si exercite efectul scontat. Se impune insa a se verifica daca nu exista cauze care duc la diminuarea continutului acestor elemente.

Masuratorile proprietatilor mecanice au evidentiat valori usor superioare, atat in ce priveste rezistenta si deformatia specifica de rupere, precum si Modulul de elasticitate, pentru compozitul pe baza de NiAlCo5. Desigur, valorile trebuie reconfirmate prin mai multe incercari pe acelasi material si efectuate cu respectarea stricta a prevederilor standardizate.

Ca proprietati magnetice, inductie si moment magnetic cel mai bun material este compozitul nanostructurat pe baza de NiAlFe10 tratat termic la 900⁰C/1 ora, urmand compozitul nanostructurat pe baza de NiAlFe5 tratat termic la 1250⁰C/2 ore si pulberea metalica initiala pe baza de NiAlFe10.

Se propune continuarea cercetarilor privind comportarea termodinamica si termochimica a materialelor compozite micro si nanostructurate. In acest scop ne propunem urmatoarele:

• 
  Se vor extinde masuratorile la diferite viteze de incalzire. Se vor determina energiile de activare a transformarilor de faza prin metoda Kissinger; rezultatele se vor compara cu date din literatura privind cinetica transformarii de faza -Al₂O₃ la -Al₂O₃.
  
• 
  Se vor aprofunda corelatiile dintre defectele punctuale si posibilitatea de precipitare a Fe in aliajele NiAlFe. Se va urmari imbatranirea probelor printr-un tratament termic prelungit si se vor compara rezultatele cu cele obtinute prin masuratori de magnetizare reziduala si susceptibilitate magnetica. Se vor corela de asemenea rezultatele cu masuratori TEM de analiza microstructurala.
  
• 
  Se vor verifica ipotezele enuntate in investigarea de fata in cazul filmelor subtiri de materiale nanocompozite.
  

Pe baza studiului de impact de mediu efectuat de catre partenerul CCEEM – P6 se propune continuarea cercetarilor pentru analiza urmatorilor parametri tehnici: gradul necesar de reducere a COV; caracteristici ale gazului rezidual: complexitatea componentei gazului, debitul volumic al gazului rezidual, concentratia de COV in gazul rezidual; aspecte referitoare la necesarul de spatiu; durata de exploatare tehnico-economica.

Materialele magnetice compozite au prin specificul structurii lor caracteristici fizico-chimice deosebite care le asigura o diversitate mare de domenii de aplicatii care practic le asigura penetrarea pe toate ramurile productiei industriale si in special le asigura o dezvoltare deosebita in domeniul hi-tech. Realizarea de senzori magnetici pentru masurarea nivelului, pozitiei si deplasarii sunt aplicatii de baza in toate sistemele de automatizare industriala si conducerea automata a proceselor industriale, transporturi, siguranta, comunicatii etc.

Posibilitatea de realizare a unor dispozitive performante de microfluidica deschid noi perspective de realizare de aplicatii pentru industriile ultracurate micro/optoelectronica, medicina, farmaceutica, industrie alimentara, spatiala, optica si instrumentatie/aparatura de laborator/metrologica .

Consideram ca noile aplicatii si produse pe baza materialelor compozite magnetice vor cunoaste o dinamica deosebita de dezvoltare in perioada imediata si de perspectiva.

O parte din rezultatele originale obtinute au fost diseminate prin comuncari siintifice la manifestari interne si internationale de prestigiu si au fost organizate manifestari de promovare in vederea pregatirii transferului tehnologic.
Diseminare

Rezultatele obtinute au fost prezentate la conferinte stiintifice de specialitate, nationale si internationale, la workshop-uri si constituie baza de date pentru redactarea unor lucrari stiintifice care se vor trimite la publicat intr-o revista ISI.

Comunicare worksop:

1. 
   C. P. Lungu, Deposition of multifunctional, nanostructured coatings in thermionic vacuum arc plasmas, (lucrare invitata, prezentare orala) 8^th International Balkan Workshop on Applied Physics, July 5-7th, 2007, CONSTANTA, ROMANIA
   
2. 
   S. Tanasescu, “Influenta compozitiei si a microstructurii asupra comportamentului termodinamic al unor materiale oxidice micro si nanostructurate utilizate in pilele de combustie”, prezentare orala la Workshopul „Nanomaterialele si aplicatiile acestora in pilele de combustie cu electrolit solid”, 12 oct. 2007, Bucuresti.
   

Comunicari la conferinte nationale:

3. C. P. Lungu, A. M. Lungu, I. Mustata, C. C. Surdu Bob, O. Pompilian, C. Porosnicu,

L. Frunza, M. Lucaci, J. Neamtu, R. M. Piticescu, R. Piticescu, I. Oancea, G.

Prodan, R.Vladoiu, V. Ciupina, Nanostructured thermal barrier coatings

prepared by thermionic vacuum arc method, 14^th International Conference on

Plasma Physics and Applications, 14^th CPPA 2007, September 14-18, Brasov,

Romania

4. A. M. Lungu, C. P. Lungu, I. Mustata, A. Anghel, C. C. Surdu-Bob, P. Chiru, O.

Pompilian, E. Dutu, M. Badulescu, V. Zaroschi, C. Iacob, C. Georgescu,

R. M. Piticescu, R. Piticescu, S. Stoleriu, V. Ciupina, R. Vladoiu, G.Prodan:

Characterization of nanostructured Ni-Al-M (M: Co, Fe) composites prepared

by TVA method, Conferinta internationala “NANOSTRUCTURED

MULTIFUNCTIONAL MATERIALS - NMM07, October 18-20, 2007, SINAIA,

ROMANIA

5. S. Tanasescu, “The Laboratory of Chemical Thermodynamics: contributioto

characterize and investigate from the energetic point of view the advanced

materials involved in the complex modern systems and the new

technologies”, prezentare sub forma de poster la SALONUL CERCETARII, 4-5

oct. 2007, Bucuresti, Romania

Comunicari la conferinte internationale

7. S. Tanasescu, C. Marinescu, F. Teodorescu, “The control of the energetic

parameters: important step in understanding the stability and reactivity of the

micro and nanostructured materials”, International Conference on Nanomed.

September 9 –11, 2007, Chalkidiki, Greece, p.232-233.

8. 
   S. Tanasescu, “Energetics of the nanomaterials used in nanomedicine”, Drug Delivery WP, General Assembly of ETP Nanomedicine 12-13 Sept. 2007 Chalkidiki, Greece
   
9. 
   S. Tanasescu, F. Maxim, F. Teodorescu, C. Marinescu, “The Characterization of Micro- and Nanostructured Multifunctional Oxide Systems Based on a Complex Thermodynamic Approach”, EUROMAT 2007, 10-13 Sept, Nurenberg, Germany
   
10. 
    S. Tanasescu, C. Marinescu, F. Teodorescu, A. Sofronia, “Effects controlling thermodynamics in micro and nanostructured conducting transition metal oxide systems”, Workshop and Meeting of the Associated Phase Diagram and Thermodynamics Committee, 28-30 Sept. 2007
    
11. 
    L. Giurgiu, M.N. Grecu, Al. Darabont, A. Popa, D. Toloman, O. Raita, S. Tanasescu, V.V. Grecu, S. Hoffman, M.D. Glinchuk, G. Papavassiliou, M. Fardis, “EPR comparison of the spin dynamics in nanoparticles, nanowires and bulk colossal magnetoresistive manganites”, International Semiconductor Conference, CAS-2007, p.20, Sinaia, 15-17 octombrie 2007.
    
12. 
    V. Pirvulescu, S. Somacescu, S. Tanasescu, S. Todorova, G. Kadinov, L.B. Su, Nanostructured complex oxides for catalytic combustion and fuel cells applications, prezentare sub forma de poster la The III^rd International Conference Catalysis: Fundamentals and application, 4-8 July, 2007, Novosibirsk, Russia
    
13. 
    S. Tanasescu, C. Marinescu, F. Teodorescu, D. Chiscan, Thermodynamic data and stability of some micro- and nanostructured SOFC materials, Poster presentation at Summer School Fuel Cells – Fundamentals Materials &Electrochemical Aspects, 17-20 July 2007, Sibiu, Romania
    
14. 
    C. Marinescu, F. Teodorescu, D. Chiscan, S. Tanasescu, Investigation of the correlation between the nonstoichiometry and the thermodynamic properties of some SOFC materials, Poster presentation at Sommer School Fuel Cells – Fundamentals Materials &Electrochemical Aspects, 17-20 July 2007, Sibiu, Romania
    
15. 
    R.L. Orban, M. Lucaci; R.M. Piticescu; R.R. Piticescu, M. Orban, „Phase and Structural Development at NiAl Synthesis by Mechano-Chemical Processing” EUROMAT 2007, Nurnberg, Germania, Symposium B 22, prezentare sub forma de poster
    
16. 
    R.L. Orban, R.M. Piticescu, R.R. Piticescu, M. Lucaci, Bucharest,Romania:”Al₂O₃-NiAl composites processed by reactive infiltration”, EuroPM 2007 Congress & Exhibition, 15-17 Octombie 2007, Toulouse, Franta, Session 27-PM Functional Materials; prezentare sub forma de poster.
    

Lucrări publicate

Roxana M. Piticescu, Mariana Lucaci, Speranta Tanasescu, Radu Orban, Cristian Lungu , Radu Piticescu

„Innovative Routes for Functionally Graded Materials Synthesis”,

AMCSIT POLITEHNICA, CEEX Conference 2007 Brasov, ISSN 1843-5904, Ed.Tehnică

Materiale de promovare

Au fost realizate materiale de promovare a proiectului prin intermediul CTT AVANMAT-IMNR (pliante, poster, pagina de web a proiectului administrata de CTT AVANMAT) si prin intermediul partenerului PLASMAJET-P8 care a realizat un film cu prezentarea tehnologiei, film care se poate accesa pe pagina de web a proiectului.