Citation for published version (APA): Popma, R. L. W. (2002). Sintering characteristics of nano-ceramic coatings Groningen: s.n.

Transcriptie

1 University of Groningen Sintering characteristics of nano-ceramic coatings Popma, Ronald Leo Wim IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2002 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Popma, R. L. W. (2002). Sintering characteristics of nano-ceramic coatings Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 1. SAMENVATTING Keramische materialen bezitten unieke eigenschappen die ingezet kunnen worden voor specifieke mechanische en elektrische toepassingen. Door de hoge smelttemperaturen is het echter moeilijk reproduceerbare producten te maken rechtstreeks uit de smelt. Daarom wordt een sinterproces gebruikt om zowel porselein als baksteen te maken. Karakteristiek voor dit proces zijn de tijd, druk en temperatuur waaraan het keramische materiaal wordt blootgesteld. Het is bekend dat de microstructuur van het uitgangsmateriaal, ook wel het groene product genoemd, een grote rol speelt bij de totstandkoming van het eindproduct. Nieuwe technologieën gebaseerd op hoogvermogen lasers, scanning elektronen microscopen en sol-gel processen vergroten de mogelijkheden het sinterproces nauwkeurig te onderzoeken. In dit proefschrift wordt het onderzoek met deze nieuwe technieken beschreven met als uitgangspunt het combineren van lasertechnieken met de ink-jet technologie. Het aandachtspunt ligt bij de dunne films en beschermende deklagen (coatings) van zirconia en siliciumoxide, die worden gemaakt door de opgebrachte sol-gel lagen met een laser te verhitten. De zo verkregen coatings zijn erg dun, in de orde van 100 nanometer en bestaan uit deeltjes met een grootte van enkele nanometers. Het doel van dit onderzoek is het ontwikkelen van een fysisch model van het sinterproces, zodat de microstructuren die ontstaan bij het sinteren, begrepen en voorspeld kunnen worden. Met dit model wordt het sinterproces voorspelbaar en kunnen de meest optimale procesparameters gekozen worden om binnen zo kort mogelijke tijd een coating te maken die vooraf gespecificeerde eigenschappen bezit. Het temperatuurmodel Voor het lasersinteren is de temperatuurverdeling voor zowel het substraat als de coating berekend. Het temperatuurprofiel plant zich voort door het sample, waardoor de interactietijd van de verhitting door de bestraling toeneemt. Dit temperatuurprofiel bepaalt een groot deel van de eigenschappen van de 139

3 uiteindelijke coating. In de literatuur worden de meeste resultaten gegeven aan de hand van isotherme warmtebehandelingen. In tegenstelling tot onze beschouwing wordt de invloed van de opwarm- en afkoelsnelheid totnogtoe zelden meegenomen in de beschouwingen. Ons 4 dimensionale (x,y,z,t) analytische model maakt ook gebruik van de temperatuurafhankelijke eigenschappen van de thermische geleiding in de coating. Amorf sintergedrag Wanneer een sol-gel als start materiaal gebruikt wordt bij de productie van keramische coatings, kunnen de deeltjes in de sol-gel bestaan uit slechts een cluster van enkele atomen. Het is moeilijk om te bepalen of deze deeltjes amorf of kristallijn zijn. Waarnemingen met behulp van de Transmissie Elektronen Microscoop (TEM) tonen aan dat de atomen binnen de deeltjes ordenen in-situ onder invloed van de elektronenbundel. De deeltjes veranderen van een amorfe naar kristallijne structuur. Verscheidene experimenten tonen aan dat de eerste fase van het sinterproces zich erg snel afspeelt. Deeltjes van een nanometer groot groeien in deze fase uit tot korrels van 100 nanometer. Deze fase zou gedomineerd kunnen zijn door een viskeus sinterproces, en het is daarom belangrijk om een systeem te vinden dat bij alle temperaturen die optreden tijdens het sinterproces ook amorf blijft. Siliciumoxide gedraagt zich op die wijze, en is daarom een goed modelsysteem om het amorfe (viskeuze) sintergedrag te bestuderen. De gebruikte SiO2 sol-gels bevatten colloïden, met een monodisperse verdeling, zodat ze goed vergeleken konden worden met de bestaande fysische modellen. De warmtebehandelingen worden uitgevoerd in ovens en met lasers. De temperatuurafhankelijkheid van de viscositeit wordt berekend met de activeringsenergie, die geëxtrapoleerd wordt uit de experimentele resultaten. Observaties met de SEM geven duidelijk de nekvorming en de verkleining van de afstand weer tussen de middelpunten van de deeltjes tijdens de eerste fase van het sinterproces. Het afronden van de poreuze gaten in de coating, die leiden tot open kanaaltjes, speelt zich af gedurende de tweede fase van het sinterproces. In de laatste fase diffunderen deze kanalen uit het materiaal en resulteert een verdichte coating. De snelheid van de eerste fase blijkt met name afhankelijk van de korrelgrootte en fysische modellen blijken goed toegepast te kunnen worden om de sintersnelheid van 140

4 SAMENVATTING de nanodeeltjes bij een zekere temperatuur te voorspellen indien de viscositeit bekend is. Kristallijn sintergedrag In tegenstelling tot SiO2 vertoont zirconia (ZrO2) een kristallijn sintergedrag. Verschillende startmaterialen worden gebruikt, sommige met amorfe deeltjes, andere met geclusterde deeltjes en weer andere met losse kristallijne deeltjes. De grootte van de deeltjes ligt tussen de 2 en 100 nm. Met röntgendiffractie wordt de korrelgrootte en de fase van het materiaal bepaald. Met de SEM wordt de coating via bovenaanzicht en dwarsdoorsnedenstudies bestudeerd, zodat de resultaten van de röntgendiffractie geverifieerd kunnen worden. De korrelgroei tijdens de ovenbehandelingen boven de 1100 C ontwikkelt zich zoals het Coble Creep model voorspelt en de activeringsenergie van de zirconia sol-gels is hierdoor te berekenen (400 kj/mol). Laserverhittingsproeven tonen aan dat dezelfde microstructuur kan worden gemaakt met behulp van een geconcentreerde laserenergie in veel kortere tijd, d.w.z. 1 seconde met een laser (fluence van 1500 J/m 2 ) versus 1 uur in een oven (op 1100 C). De verhoging van de fluence laat een lineaire vergroting van de korrel zien. Beide behandelingen worden ook uitgevoerd met een substraat van staal, vanwege de mogelijke toepassingen die keramische coatings op staal kunnen hebben. De laserbehandelingen geven meer breuken in het oppervlak van de coating door de grotere temperatuur-gradiënten en sterkere oxidatie van het staal door de hogere temperaturen. TEM-onderzoek laat zien dat bij temperaturen boven de 1000 C het substraat tussen de deeltjes van de coating kruipt. EDS mapping in de TEM maakte het mogelijk de materiaalverdeling rond het grensvlak tussen de coating en het substraat te bestuderen. Dit toonde aan dat de silica uit het substraat niet in de zirconiakorrels diffundeert maar wel eromheen omhoog kruipt. Om de invloed van de microstructuur op de mechanische eigenschappen te onderzoeken, werden Vickers hardheidstesten en nano-indentaties verricht. Deze gaven de relatie weer tussen de hardheid en de elasticiteitsmodulus van de coating en de grootte van de korrels en de poreusheid van de coating. Combinatie van deze laatste resultaten met de sintermodellen levert de mogelijkheid om de eigenschappen van de zirconia coating te voorspellen op basis van de laser- of ovenparameters. 141

5 142