Autoreferat dr inż. Marcina Gołąbczaka

dr in. Marcin Gobczak

Politechnika dzka

Wydzia Mechaniczny

Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn

Wniosek o przeprowadzenie postpowania habilitacyjnego w dziedzinie Nauk Technicznych

w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn pt.:

Wytwarzanie i badania waciwoci uytkowych warstw wglowych i TiN na stopach magnezu

oraz warstw niskotarciowych na stali X38CrMoV5-1

Autoreferat

d, stycze 2014

II

Spis treci

1. Uzyskane tytuy i stopnie naukowe ............................................................................... 1 2. Przebieg pracy zawodowej............................................................................................. 1 3. Wykaz osigni naukowo-badawczych ....................................................................... 2 4. Wskazane osignicia ..................................................................................................... 3 5. Opis osigni w zakresie wytwarzania i badania waciwoci uytkowych

warstw wglowych i TiN na stopach magnezu oraz warstw niskotarciowych na stali X38CrMoV5-1.................................................................................................... 4 5.1. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw wglowych i TiN

na stopach magnezu metod PACVD i PVD...................................................................4 5.1.1. Celowo nakadania warstw ochronnych na stopach magnezu ...................................4 5.1.2. Sposoby nakadania warstw ochronnych na stopach magnezu .....................................4 5.1.3. Przygotowanie powierzchni prbek ze stopu magnezu

pod nakadanie warstw wglowych i TiN ........................................................................5 5.1.3.1. Szlifowanie prbek ze stopu magnezu AZ31...................................................................6 5.1.3.2. Polerowanie prbek ze stopu magnezu AZ31 .................................................................8

5.1.4. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw wglowych na stopach magnezu metod PACVD ............................................................................10

5.1.5. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw TiN na stopach magnezu metod PVD..................................................................................12

5.1.6. Wnioski.............................................................................................................................14 5.1.7. Wykaz publikacji.............................................................................................................14

5.2. Modelowanie matematyczne warstw wglowych wytworzonych na stopach magnezu.........................................................................................................15 5.2.1. Opracowanie modelu matematycznego opisujcego odporno korozyjn

warstw wglowych na stopie magnezu AZ31 HP..........................................................15 5.2.1.1. Podstawy teoretyczne i metodyka badania....................................................................15 5.2.1.2. Otrzymane rezultaty .......................................................................................................17 5.2.1.3. Wnioski ........................................................................................................................18

5.2.2. Opracowanie modelu do jakociowej i ilociowej analizy warstw wglowych...........19 5.2.2.1. Podstawy teoretyczne i metodyka badania....................................................................19

5.2.2.1.1. Istota fizyczna zjawiska Ramana ............................................................... 19 5.2.2.1.2. Analiza widma Ramana .............................................................................. 20 5.2.2.1.3. Interferometr Fabryego-Prota................................................................. 24

5.2.2.2. Rezultaty analizy widma Ramana..................................................................................27 5.2.2.2.1. Analiza ilociowa.......................................................................................... 27 5.2.2.2.2. Wyostrzanie pikw spektrogramu ............................................................. 32

5.2.2.3. Wnioski ........................................................................................................................33 5.2.3. Modelowanie matematyczne procesu nanoindentacji z wykorzystaniem do

pomiaru gruboci warstwy .............................................................................................34 5.2.3.1. Podstawy teoretyczne nanoindentacji ............................................................................34 5.2.3.2. Zastosowanie DSP do opracowania wynikw badania metod nanoindentacji .........36 5.2.3.3. Wyniki badania metod nanoindentacji, z okreleniem gruboci warstwy................39 5.2.3.4. Wnioski ........................................................................................................................40

5.2.4. Modelowanie wzrostu, organizacji alotropowej i morfologii warstw wglowych przy pomocy automatw komrkowych.......................................41 5.2.4.1. Podstawy dziaania i stosowania automatw komrkowych .......................................41

5.2.4.1.1. Definicja systemu dynamicznego................................................................ 41 5.2.4.1.2. Koncepcja automatu komrkowego........................................................... 41 5.2.4.1.3. Jednowymiarowy automat komrkowy..................................................... 42 5.2.4.1.4. Dwuwymiarowy automat komrkowy ....................................................... 44 5.2.4.1.5. Dwuwymiarowy automat wielowarstwowy ............................................... 46 5.2.4.1.6. Skala czasu automatu komrkowego ......................................................... 47 5.2.4.1.7. Przejcie grafit diament.......................................................................... 48

5.2.4.2. Wyniki generowania warstw wglowych automatami komrkowymi i porwnanie ich z warstwami rzeczywistymi ...............................................................50

5.2.5. Bezporednia metoda pomiaru gruboci warstwy wglowej .......................................55 5.2.5.1. Pomiar przy pomocy mikroskopu SEM ........................................................................55

III

5.2.5.2. Pomiar przy pomocy profilometru optycznego.............................................................56 5.2.6. Wnioski.............................................................................................................................58 5.2.7. Wykaz publikacji.............................................................................................................58

5.3. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw niskotarciowych na stali narzdziowej X38CrMoV5-1.............................................................................59 5.3.1. Waciwoci stali X38CrMoV5-1....................................................................................59 5.3.2. Przygotowanie powierzchni prbek ze stali X38CrMoV5-1 pod nakadanie

warstw niskotarciowych technologi PVD i azotowania..............................................59 5.3.2.1. Szlifowanie .......................................................................................................................59 5.3.2.2. Polerowanie......................................................................................................................62

5.3.3. Oparacowanie nowej technologii wytwarzania warstw niskotarciowych na stali X38CrMoV5-1 metod azotowania i PVD .......................................................64

5.3.4. Wnioski.............................................................................................................................67 5.3.5. Wykaz publikacji.............................................................................................................67

6. Realizacja pojektw badawczych ................................................................................ 68 6.1. Kierowanie projektem badawczym................................................................................68

7. Pozostae osignicia naukowo-badawcze .................................................................. 70 7.1. Szlifowanie i polerowanie materiaw trudnoobrabialnych ........................................70 7.2. Modelowanie matematyczne zjawisk i procesw fizycznych obrbki erozyjnej........70 7.3. Technologie wytwarzania i zastosowanie nanodiamentw ..........................................70 7.4. Prace o charakterze technicznym wsppraca z przemysem...................................71 7.5. Udzia w organizacjach naukowo-technicznych i komitetach programowych

konferencji........................................................................................................................72 7.6. Nagrody i wyrnienia.....................................................................................................72 7.7. Opieka nad doktorantami ...............................................................................................72

8. Charakterystyka dorobku dydaktycznego i popularyzatorskiego ........................... 73 8.1. Dziaalno dydaktyczna .................................................................................................73 8.2. Dziaalno organizacyjna...............................................................................................74 8.3. Wsppraca i aktywno midzynarodowa....................................................................74 8.4. Udzia w konferencjach naukowych krajowych ...........................................................75

9. Projekty europejskie..................................................................................................... 75 10. Wykaz publikacji .......................................................................................................... 76

10.1. Wykaz publikacji przed uzyskaniem stopnia doktora .................................................76 10.2. Wykaz publikacji po uzyskaniu stopnia doktora..........................................................76

11. Syntetyczna charakterystyka ilociowa dorobku naukowego .................................. 81 11.1. Lista 1a. Publikacje w czasopismach wyrnionych przez Journal Citation

Reports..............................................................................................................................81 11.2. Lista 1b. Publikacje w recenzowanych czasopismach krajowych lub zagranicznych

wymienionych w wykazie Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyszego...........................82 11.3. Lista 2a. Autorstwo rozdziau w monografii lub podrczniku akademickiego

w jzyku angielskim i podstawowym dla danej dyscypliny.............................................83 11.4. Lista 2b. Autorstwo rozdziau w monografii lub podrczniku akademickiego

w jzyku polskim i podstawowym dla danej dyscypliny ................................................84 11.5. Lista 3b. Redakcja monografii lub podrcznika akademickiego ................................85

IV

Spis ilustracji

Rys. 1. Klasyfikacja metod wytwarzania powok ochronno-dekoracyjnych na stopach magnezu......................5 Rys. 2. Szlifierko-polerka Phoenix Beta 2 produkcji firmy Wirtz Buehler, z Katedry Technologii

Maszyn P ..............................................................................................................................................6 Rys. 3. Przykadowy profil chropowato powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu ..........................6 Rys. 4. Przykadowy profil powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu .................................................7 Rys. 5. Przykadowy histogram chropowatoci powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu..................7 Rys. 6. Krzywa udziau materiaowego powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu ..............................7 Rys. 7. Przykadowy profil chropowato powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu.........................8 Rys. 8. Przykadowy profil powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu................................................9 Rys. 9. Przykadowy histogram chropowatoci powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu ................9 Rys. 10. Krzywa udziau materiaowego powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu

(skala pozioma jest rozcignita w porwnaniu z innymi wykresami) ...................................................9 Rys. 11. Widok oglny stanowiska do syntezy warstw wglowych metod PACVD

- Politechnika dzka ...........................................................................................................................11 Rys. 12. Schemat stanowiska do syntezy warstw wglowych metod PACVD: 1 zewntrzna obudowa,

2 separator chodzcy, 3 pokrywa, 4 zewntrzne wrzeciono, 5 wewntrzne wrzeciono, 6 ruba dociskowa, 7 podkadka, 8-12 piercienie uszczelniajce ...............................................11

Rys. 13. Warstwy wglowe wytworzone na stopie AZ31 metod PACVD; kolor zaley od gruboci warstwy.........................................................................................................12

Rys. 14. Widok hybrydowego urzdzenia URM 079 do osadzania powok metod plazmow .........................12 Rys. 15. Schemat rozmieszczenia poszczeglnych elementw w komorze........................................................13 Rys. 16. Warstwa TiN na stopie AZ31 wytworzona metod PVD .....................................................................13 Rys. 17. Struktura modelu Butlera-Volmera w postaci nieliniowego obwodu elektrycznego

o staych skupionych. Objanienia w tekcie ........................................................................................16 Rys. 18. Przebieg dowiadczalnej i modelowej krzywej potencjostatycznej (charakterystyka Tafela)

dla stopu magnezu nie pokrytego warstw ochronn............................................................................18 Rys. 19. Przebieg dowiadczalnej i modelowej krzywej potencjostatycznej (charakterystyka Tafela)

dla stopu magnezu pokrytego ochronn warstw diamentow .............................................................18 Rys. 20. Schemat wektorowy wymuszonego rozpraszania ramanowskiego jako dwch procesw

dwufotonowych, z udziaem fononw o rnych kierunkach i energiach ............................................19 Rys. 21. Oryginalne widma otrzymane z laserowego spektrometru ramanowskiego

dla rnych warstw wglowych osadzonych na stopie magnezu..........................................................20 Rys. 22. Ilustracja koncepcji pomiaru wydajnoci tworzenia diamentu w warstwie wglowej ..........................22 Rys. 23. Zespolona funkcja bdu (funkcja Faddeevei): powierzchnia moduu i czci rzeczywistej ................23 Rys. 24. Porwnanie profilw (pikw) Voigta utworzonych ze znormalizowanego rozkadu Gaussa

i rozkadw Cauchyego rnej szerokoci opisanej parametrem ......................................................23 Rys. 25. Schemat dziaania interferometru Fabryego-Prota z ukadem padajcych, odbijajcych si

i interferujcych wizek ........................................................................................................................24 Rys. 26. Symulowane charakterystyki interferometru Fabryego-Prota uywanego w analizatorze

widma Ramana. Parametr interferometru zosta wyznaczony z profilu Voigta dopasowanego do widma Ramana z eksperymentu, co zostao pokazane w dolnej czci rysunku, ktry jest wykonany w skali w stosunku do szerokoci okienka przepuszczania .................................................26

Rys. 27. Zbiorcze, ilociowe zestawienie analizy spektrogramw Ramana badanych prbek ...........................27 Rys. 28. Porwnanie cakowitych, standaryzowanych widm Ramana

warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................28 Rys. 29. Porwnanie skadowej wgla amorficznego w standaryzowanych widmach Ramana

warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................28 Rys. 30. Porwnanie skadowej diamentu nanokrystalicznego w standaryzowanych widmach Ramana

warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................29 Rys. 31. Porwnanie skadowej prostych piercieni wglowych w standaryzowanych widmach Ramana

warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................29 Rys. 32. Porwnanie skadowej fullerenw rnych rozmiarw w standaryzowanych widmach Ramana

warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................30 Rys. 33. Porwnanie skadowej nanorurek rnych rozmiarw w standaryzowanych widmach Ramana

warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................30

V

Rys. 34. Porwnanie skadowej grafitu w standaryzowanych widmach Ramana warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................31

Rys. 35. Porwnanie skadowej grafitu w standaryzowanych widmach Ramana warstw wglowych badanych prbek....................................................................................................31

Rys. 36. Porwnanie skadowej prostych wglowodorw acuchowych w standaryzowanych widmach Ramana warstw wglowych badanych prbek ......................................................................32

Rys. 37. Prbka 56B. Widmo cakowite z pikw Voigta (grube linie) i widmo wyostrzone bez komponentu Cauchyego (cienkie linie) .........................................................................................32

Rys. 38. Rozkad parametru dla wszystkich analizowanych pikw spektrogramw Ramana badanych warstw wglowych................................................................................................................33

Rys. 39. Zasada pomiaru przemieszcze przy pomocy cewki z przesuwanym rdzeniem LVDT .......................34 Rys. 40. Podstawy zastosowania DSP dla ulepszenia danych pomiarowych

i estymacji podatnoci mechanicznej ....................................................................................................38 Rys. 41. Zagbienie pozostawione w warstwie wglowej przez nanoindenter piramidk Berkovicha.

Widok z mikroskopu AFM ...................................................................................................................39 Rys. 42. Wyniki z nanoindentacji piramidk Berkovicha warstwy wglowej na stopie magnezu;

krzywa czerwona wejciowa krzywa z pomiaru; pozostae zalenoci otrzymano metod DSP.......39 Rys. 43. Istota modelowania zjawisk dynamiki dyskretnej automatem komrkowym.......................................42 Rys. 44. Zasady konstruowania jednowymiarowego automatu komrkowego; wartoci stanw

zostay zaznaczone jak dla reguy przejcia 30..................................................................................43 Rys. 45. Wzr chropowatoci wygenerowany jednowymiarowym automatem komrkowym,

poczynajc od losowego stanu pocztkowego, przy zastosowaniu reguy przejcia 30 ....................43 Rys. 46. Przykad deterministycznej reguy przejcia jak dla automatu komrkowego Conwaya,

zaprogramowanej w arkuszu kalkulacyjnym Excel...............................................................................44 Rys. 47. Rozwj dwuwymiarowego, deterministycznego automatu komrkowego, typu Conwaya.................44 Rys. 48. Dwuwymiarowy automat komrkowy na torusie bez problemw brzegowych ................................45 Rys. 49. Definicja ssiedztwa komrek i prawdopodobiestw przejcia dla probabilistycznego,

dwuwymiarowego automatu komrkowego .........................................................................................46 Rys. 50. Proponowana siatka szecioktna, lepiej przystosowana do modelowania zjawisk fizycznych

z udziaem wgla. Tylko ssiedztwo Moorea jest zdefiniowane .........................................................46 Rys. 51. Diagram oddziaywa midzy komrkami atomami, w dwuwarstwowym, dwuwymiarowym

automacie komrkowym modelujcym wzrost warstwy wglowej ......................................................47 Rys. 52. Potencja Lennarda-Jonesa dla atomw wgla z zaznaczonymi charakterystycznymi punktami

wizania uytymi w prezentowanym automacie komrkowym............................................................48 Rys. 53. Przejcie typu przemiany martenzytycznej (przemiany przesunicia) wierzchniej warstwy

atomw wgla ze stabilizujc hydrogenacj........................................................................................49 Rys. 54. Dalsze etapy odksztacania struktury warstwy wglowej i przejcia do sieci diamentu .......................49 Rys. 55. Wzr nukleacji nr 1 do automatu komrkowego ..................................................................................51 Rys. 56. Wzr nukleacji nr 2 do automatu komrkowego ..................................................................................51 Rys. 57. Przekroje dla wzoru nr 1 po 20 iteracjach, czyli po okoo 20s, na poziomie 1 nm ...............................52 Rys. 58. Przekroje dla wzoru nr 1 po 50 iteracjach, czyli po okoo 50s, na poziomie 4 nm ...............................52 Rys. 59. Przekroje dla wzoru nr 1 po 100 iteracjach, czyli po okoo 100s, na poziomie 8 nm ...........................52 Rys. 60. Przekroje dla wzoru nr 2 po 20 iteracjach, czyli po okoo 20s, na poziomie 1 nm ...............................53 Rys. 61. Przekroje dla wzoru nr 2 po 50 iteracjach, czyli po okoo 50s, na poziomie 4 nm ...............................53 Rys. 62. Przekroje dla wzoru nr 2 po 100 iteracjach, czyli po okoo 100s, na poziomie 8 nm ...........................53 Rys. 63. Przykad penej symulacji cyfrowej nakadania warstwy wglowej z liniow regu funkcji

prawdopodobiestwa wizania wzgldem siy/odlegoci ....................................................................54 Rys. 64. Przykad penej symulacji cyfrowej nakadania warstwy wglowej z wykadnicz regu

funkcji prawdopodobiestwa wizania wzgldem siy/odlegoci........................................................54 Rys. 65. Globalne wyniki statystyczne symulacji wzrostu warstwy wglowej przedstawionej na Rys. 64 .......55 Rys. 66. Przykad morfologii powierzchni warstwy wglowej zbadanej przy pomocy mikroskopu AFM.........55 Rys. 67. Obrazy z mikroskopu SEM pokry wglowych na stopie magnezy AZ31:

a) powikszenie x16000, b) powikszenie x32000 ...............................................................................56 Rys. 68. Stanowisko pomiarowe do badania powierzchni profilometrem optycznym; bdcym na

wyposaeniu laboratorium LaBoMaP-Arts et Mtiers, ParisTech, Centre de Cluny, Francja ...............56 Rys. 69. Przykadowe rezultaty badania przy pomocy profilometru optycznego firmy WYKO,

gruboci warstwy wglowej naniesionej na stop magnezu AZ31 .........................................................57

VI

Rys. 70. Stanowisko do szlifowania elektroerozyjnego AEDG prbek ze stali X38CrMoV5-1 w Katedrze Technologii Maszyn P .....................................................................................................59

Rys. 71. Strefa robocza szlifierki AEDG typu ECB-T8......................................................................................60 Rys. 72. Przykadowy profil chropowato powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1

po szlifowaniu AEDG ...........................................................................................................................60 Rys. 73. Przykadowy profil powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1 po szlifowaniu AEDG......................61 Rys. 74. Przykadowy histogram chropowatoci prbki ze stali X38CrMoV5-1 po szlifowaniu AEDG ...........61 Rys. 75. Przykadowa krzywa nonoci powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1

po szlifowaniu AEDG ...........................................................................................................................61 Rys. 76. Gowica polerujca Vector Power Head szlifierko-polerki Phoenix Beta 2 .........................................62 Rys. 77. Przykadowy profil chropowato powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1 po polerowaniu .........63 Rys. 78. Przykadowy profil powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1 po polerowaniu ................................63 Rys. 79. Przykadowy histogram chropowatoci powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1

po polerowaniu......................................................................................................................................64 Rys. 80. Przykadowa krzywa nonoci powierzchni prbki ze stali X38CrMoV5-1 po polerowaniu...............64 Rys. 81. Widok urzdzenia do azotowania plazmowego bdcego na wyposaeniu laboratorium

LaBoMaP-Arts et Mtiers ParisTech, Centre de Cluny-Francja ............................................................65 Rys. 82. Prbki stali X38CrMoV5-1 z obrbk powierzchniow: a) azotowanie w kpieli solnej

(salt bath nitriding), b) azotowanie w kpieli solnej z utlenianiem (salt bath nitriding + post-oxidation), c) azotowanie plazmowe (plasma nitriding).......................................................................65

Rys. 83. Powoki a) TiC+a-C:H i b) MoS2TiW na stopie X38CrMoV5-1 wytworzone metod PVD ................66 Rys. 84. Widok urzdzenia PVD bdcego na wyposaeniu laboratorium LaBoMaP-Arts et Mtiers

ParisTech, Centre de Cluny, Francja .....................................................................................................66 Rys. 85. Powoka AlWCN na stopie X38CrMoV5-1 wytworzona metod PVD................................................67 Rys. 86. Widok oglny stanowiska do osadzania warstw wglowych metoda PACVD

(ECAM - Lyon, Francja).......................................................................................................................69

VII

Spis tabel

Tab. 1. Warunki procesu technologicznego szlifowania i polerowania prbek ze stopu magnezu AZ31...........5 Tab. 2. Parametry statystyczne profilu chropowatoci powierzchni po szlifowaniu...........................................8 Tab. 3. Parametry statystyczne profilu chropowatoci po polerowaniu ............................................................10 Tab. 4. Skad pynu Tyrodea ............................................................................................................................15 Tab. 5. Wyniki identyfikacji modelu dla pytki magnezowej nie pokrytej warstw wglow..........................17 Tab. 6. Wyniki identyfikacji modelu dla pytki magnezowej pokrytej warstw wglow

ze znacznym udziaem diamentu...........................................................................................................17 Tab. 7. Warunki procesu technologicznego szlifowania AEDG prbek ze stali X38CrMoV5-1 .....................60 Tab. 8. Parametry profilu chropowatoci z Rys. 72. i Rys. 73 ...........................................................................62 Tab. 9. Warunki procesu technologicznego polerowania prbek ze stali X38CrMoV5-1 ................................63 Tab. 10. Parametry profilu chropowatoci z Rys. 77. i Rys. 78 ...........................................................................64

Autoreferat habilitacyjny dr in. Marcin Gobczak

1

1. Uzyskane tytuy i stopnie naukowe

Tytu magistra inyniera mechanika 17.11.1999 r. Temat pracy magisterskiej: Analiza kosztw wybranych stanowisk pracy w zakadzie apara-tury elektrycznej ELESTER S.A., Politechnika dzka, Wydzia Organizacji i Zarzdzania, kierunek studiw Zarzdzanie i Marketing, specjalno Zarzdzenie Produkcj, promotor prof. dr hab. in. Jerzy Lewandowski, praca obroniona z wynikiem bdb.

Stopie doktora nauk technicznych w zakresie budowy i eksploatacji maszyn -30.09.2005 r. Temat pracy doktorskiej: Wytwarzanie warstw wglowych na stopach magnezu metod PACVD, Politechnika dzka, Wydzia Mechaniczny, promotor prof. dr hab. dr h.c. Stanis-aw Mitura, praca obroniona z wyrnieniem.

2. Przebieg pracy zawodowej

Data Miejscowo Jednostka Stanowisko

1999-2000 d Dae Yang Electronics Poland (dzkie Zakady Radiowe - Fonica) Kierownik ds. Kontroli Ja-

koci

2000-2002 d Politechnika dzka, Wydzia Mechaniczny,

Instytut Inynierii Materiaowej, Zakad Inynierii Biomedycznej

Staysta-doktorant

2002 (1 miesic) Zittau, Niemcy Techno-Coat Oberflaechentechnik GmbH Staysta-doktorant

2002-2003 d Politechnika dzka, Wydzia Mechaniczny,


Asystent-doktorant

2003-2004 (7 miesicy) Lyon, Francja

cole Catholique dArts et Mtiers-ECAM, Dpartment Matriaux Staysta-doktorant

2005-2008 d Politechnika dzka,


Adiunkt

2007 (2 tygodnie)

Paisley, Szko-cja

University of the West Scotland, Thin Film Centre Staysta

2008-2012 d Politechnika dzka, Katedra Technologii Maszyn Adiunkt

2008 (2 tygodnie)

Lichtenfels, Niemcy Concept Laser GmbH Staysta

2010 (2 tygodnie) Lyon, Francja

cole Catholique dArts et Mtiers-ECAM, Dpartment Matriaux Staysta

2011 (3 miesice)

Cluny, Lyon, Francja

LaBoMaP-Centre dArts et Mtiers de Cluny - Paris Tech de Cluny,

Equipe Matriaux and Surfaces (EMS), cole Catholique dArts et Mtiers-ECAM,

Dpartment Matriaux

Visiting Professor

2012-obecnie d

Politechnika dzka, Wydzia Mechaniczny, Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy

Maszyn Adiunkt


2

3. Wykaz osigni naukowo-badawczych

Nr Wykaz osigni Przed doktoratem Po

doktoracie Cakowita

1 Publikacje w czasopismach wyrnionych przez Journal Citation Reports lista 1a - 9 9

2 Publikacje w recenzowanych czasopismach krajowych

lub zagranicznych wymienionych w wykazie Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyszego lista 1b

1 9 10

3 Autorstwo rozdziau w monografii lub podrczniku akade-

mickim w jzyku angielskim i podstawowym dla danej dys-cypliny - lista 2a i 2b

2 10 12

4 Redakcja monografii lub podrcznika akademickiego lista 3b - 1 1

5 Kierowanie projektem badawczym 1 - 1

6 Udzia w projektach europejskich 1 - 1

7 Cakowity Impact factor (IF) 5.985

8 Liczba cytowa wedug Web of Science (WoS) 5

9 Liczba cytowa wedug Google Scholar 25

10 Indeks Hirscha (WoS) 4


3

4. Wskazane osignicia Jako osignicie wynikajce z art. 16 ust. 2 Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych

i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki wskazuj jednotematyczny cykl publika-cji pt.: Wytwarzanie i badania waciwoci uytkowych warstw wglowych i TiN na stopach mag-nezu oraz warstw niskotarciowych na stali X38CrMoV5-1. Na cykl skada si 16 publikacji, w tym osiem z Listy Filadelfijskiej lista 1a, dwa rozdziay w ksikach zagranicznych, pi w polskich cza-sopismach punktowanych lista 1b oraz jeden rozdzia w monografii, wymienione poniej: 1. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ: Raman Spectra Evaluation of Carbon Layers with

Voigt Profile, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering - JAMME, ISSN: 1734-8412, Vol. 37, No. 2., 2009, pp. 270-276, (udzia Habilitanta 65%).

2. M. GOBCZAK, B. WENDLER, W. PAWLAK: Warstwy ochronne TiN na stopach magnezu wytwarzane metod PAPVD, Inynieria Maszyn (Journal of Machine Engineering), ISSN: 1426-708X, Vol. 12, No. 4, 2009, str. 31-41, (udzia Habilitanta 50%).

3. M. GOBCZAK: Polerowanie stopw magnezu, Wspczesne Problemy Obrbki ciernej pod redakcj J. Plichty, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszaliskiej, ISSN: 0239-7129, 2009, str. 517-526, (udzia Habilitanta 100%).

4. M. GOBCZAK: Properties of Hard Carbon Coatings Manufactured on Magnesium Alloys by PACVD Method, Advanced Knowledge Application in Practice, Edited by Igor Fuerstner, Sciyo, Croatia, ISBN: 978-953-307-141-1, 2010, pp. 61-84, (udzia Habilitanta 100%).

5. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ: Notices on Method of Thickness Evaluation of the TiN Layers on Magnesium Alloys, Defect and Diffusion Forum, ISSN:1662-9507, Vols. 297-301, 2010, pp. 641-649, (udzia Habilitanta 65%). IF 0.483

6. M. GOBCZAK: Estimation of Carbon Coatings Manufactured on Magnesium Alloys, Special Is-sues on Magnesium Alloys, Edited by Waldemar Alfredo Monteiro, InTech, Croatia, ISBN: 978-953-307-391-0, 2011, pp. 41-66, (udzia Habilitanta 100%).

7. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ: Quantitative Evaluation of the Raman Spectra of Carbon Layers, Defect and Diffusion Forum, ISSN: 1662-9507, Vols. 312-315, 2011, pp. 265-270, (udzia Habilitanta 65%). IF 0.483

8. M. GOBCZAK: Characteristics of TiN and NCD Layers Deposited on Magnesium Alloys, Journal of Nano Research, ISSN:1662-5250, Vol. 16, 2011, pp. 29-35, (udzia Habilitanta 100%). IF 0.570

9. M. GOBCZAK, P. JACQUET: Thickness Evaluation of the Carbon Coatings Manufactured on Magnesium Alloys Using Optical Profiler, Journal of Machine Engineering, ISSN: 1426-708X, Vol. 12, No. 2, 2012, pp. 29-36, (udzia Habilitanta 65%).

10. M. GOBCZAK, W. PAWLAK, W. SZYMANSKI, P. JACQUET, R. FLITI: Properties of PVD Coatings Manufactured on X38CrMoV5-1 Steel for Plastic Moulding Applications, ISSN: 1426-708X, Journal of Machine Engineering, Vol. 12, No. 2, 2012, pp. 37-45, (udzia Habilitanta 40%).

11. P. JACQUET, M. GOBCZAK, P. LOURDIN: Experimental Characterization of Non-Seizing Solutions for Plastic Moulding Tools, Applied Surface Science, USA, ISSN: 0169-4332, Vol. 261, 2012, pp. 824-829, (udzia Habilitanta 30%). IF 2.103

12. M. GOBCZAK, P. JACQUET, C. NOUVEAU, R. FLITI: Tribological Investigations of TiC+a-C:H Coatings Manufactured on X38CrMoV5-1 Steel Using PVD Technology, Defect and Diffusion Forum, ISSN:1662-9507, Vol. 334-335, 2013, pp. 97-104, (udzia Habilitanta 50%). IF 0.483

13. M. GOBCZAK, P. JACQUET, C. NOUVEAU, R. FLITI: Low Friction MoS2TiW Coatings Ma-nufactured on X38CrMoV5-1 Steel Using PVD Method, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, ISSN: 0933-5137, Vol. 44, No. 5, 2013, pp. 395-402, (udzia Habilitanta 50%). IF 0.543

14. M. GOBCZAK, R. WICIK, W. SZYMASKI: Przygotowanie powierzchni prbek ze stali X38CrMoV5-1 pod powoki ochronne metod szlifowania elektroerozyjnego AEDG i polerowania, Mechanik, nr 8-9, 2013, str. 144-151, (udzia Habilitanta 60%).

15. M. GOBCZAK, A. GOBCZAK. A. KONSTANTYNOWICZ, P. JACQUET: Cellular Automa-ta for Modelling Growth of the Carbon-Like Layers with Using Ideas of Surface Thermodynamics, Wulfenia Journal, Klagenfurt, Austria, ISSN: 1561-882X, Vol. 20, No. 3, 2013, pp. 2-15, (udzia Habilitanta 40%). IF 0.267

16. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ, A. GOBCZAK: Use of the Cellular Automata for Modeling of the Carbon Nanolayer Growth on a Light Alloy Substrate, Journal of Nano Research, ISSN:1662-5250, Vol. 26, 2014, pp. 159-167, (udzia Habilitanta 60%). IF 0.570


4

5. Opis osigni w zakresie wytwarzania i badania waciwoci uytkowych warstw wglowych i TiN na stopach magnezu oraz warstw niskotarciowych na stali X38CrMoV5-1

5.1. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw wglowych i TiN na stopach magnezu metod PACVD i PVD

5.1.1. Celowo nakadania warstw ochronnych na stopach magnezu Stopy magnezu znajduj aktualnie szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysu, gdzie re-

dukcja masy ma zasadnicze znaczenie. Przykadowymi obszarami zastosowania stopw magnezu s: przemys lotniczy, kosmiczny, motoryzacyjny, elektroniczny, produkcja sprztu sportowego itd. Do istotnych zalet stopw magnezu nale: wysoki stosunek wytrzymaoci mechanicznej do masy; wysokie przewodnictwo cieplne; maa rozszerzalno cieplna; dobre waciwoci odlewnicze i wysoka integralno funkcjonalna umoliwiajca wytwarzanie

przedmiotw ze stopw magnezu w ksztacie bliskim kocowemu (near-net-shape); dobra skrawalno; biokompatybilno.

Istotn zalet stopw magnezu, uytych w postaci cienkich paskw folii o odpowiedniej dugoci, jest bardzo skuteczne rozpraszanie pola elektromagnetycznego, co ma zastosowanie militarne do mas-kowania przed promieniowaniem wizk radaru.

Stopy magnezu wykazuj take wady, co powoduje ich ubytek masy i zmniejszenie wytrzymaoci mechanicznej. Najwiksz z nich stanowi dua podatno na korozj, zwaszcza elektrochemiczn. Inn wad stopw magnezu jest ich maa odporno na zuycie oraz spadek wytrzymaoci w wysokiej tem-peraturze. Wymienione wady w istotnym stopniu ograniczaj stosowalno stopw magnezu w technice.

Prezentowana rozprawa habilitacyjna stanowi prb wyeliminowania tych wad poprzez wytworze-nie na stopach magnezu specjalnych warstw, tworzcych bariery ochronne oraz speniajcych jedno-czenie funkcje dekoracyjne i uytkowe.

5.1.2. Sposoby nakadania warstw ochronnych na stopach magnezu W literaturze i praktyce przemysowej znanych jest wiele rnych metod wytwarzania powok och-

ronnych na stopach magnezu. Kada z tych metod posiada wady i zalety, a warstwy ochronne wytwo-rzone tymi metodami charakteryzuj si zrnicowan przydatnoci uytkow, zakresem stosowania oraz kosztami ich wytworzenia. Biorc pod uwag procesy fizyczne wykorzystywane w tych techni-kach, dokonano klasyfikacji metod wytwarzania powok ochronno-dekoracyjnych na stopach magne-zu, ktre przedstawiono na Rys. 1. Wyrniono tam siedem podstawowych metod wytwarzania pow-ok na stopach magnezu, ktrymi s: powoki galwaniczne, konwersyjne, wodorkowe, anodyzowane, wytwarzane z fazy gazowej, nanoszone laserem oraz powoki polimerowe.

Autor w trakcie swoich bada zaj si szczeglnie dwiema metodami nakadania warstw ochron-nych, tj. metod CVD oraz PVD.


5

Powoki galwaniczne 1

Powoki polimerowe 7

Obrbka laserem 6

Powoki konwersyjne 2

Powoki wodorkowe 3 Anodowanie 4

Pokrywanie z fazy gazowej 5

Osadzanie chemiczne CVD 5.2

TECHNIKI WYTWARZANIA POWOK NA STOPACH MAGNEZU

W kpielach fluorkowych 4.1

W kpielach alkalicznych 4.2

Plazmowe 4.3

Rozpylanie termiczne 5.1

Osadzanie fizyczne PVD 5.3

Powoki dyfuzyjne 5.4

Implantacja jonw 5.5

Powoki lakiernicze 7.1

Proszkowane 7.2

Epoksydowane 7.3

Procesy zol-el 7.4

Polimeryzacja elektrochemiczna 7.5

Polimeryzacja plazmowa 7.6

Cynkowe 1.1

Niklowe 1.2

Z metali szlachetnych 1.3

Alternatywne 1.4

Chromianowe 2.1

Fosforanowo-nadmanganianowe 2.2

Fluoro- cyrkonianowe 2.3

Cynianowe 2.4

Rys. 1. Klasyfikacja metod wytwarzania powok ochronno-dekoracyjnych na stopach magnezu

5.1.3. Przygotowanie powierzchni prbek ze stopu magnezu pod nakadanie warstw wglowych i TiN

Do przygotowania warstwy wierzchniej prbek ze stopu magnezu zastosowano dwutarczow szlifier-ko-polerk Phoenix Beta 2 produkcji firmy Wirtz Buehler bdc na wyposaeniu laboratorium Katedry Technologii Maszyn Politechniki dzkiej (Rys. 2). Prdko obrotowa tarcz polerskich jest pynnie re-gulowana w zakresie od 30 do 600 obr/min. Umoliwia to szczeglnie precyzyjne szlifowanie i polero-wanie przy maych prdkociach obrotowych, jak rwnie wydajne usuwanie warstw materiau przy du-ej prdkoci obrotowej kiedy konieczne jest skrcenie czasu obrbki.

Prbki do bada wykonano ze stopu AZ31, pozyskanego z firmy TECHNO-COAT Oberflaechen-technik GmbH, Zittau-Germany. Podstawowym wymaganiem stawianym procesowi przygotowania pr-bek do pokrywania warstwami wglowymi byo uzyskanie podanego stanu wyjciowego warstwy wierzchniej o moliwie maej chropowatoci powierzchni oraz usunicie wszelkich zanieczyszcze. W tym celu opracowano proces technologiczny polerowania prbek, obejmujcy nastpujce operacje: dwuetapowe szlifowanie, dwuetapowe polerowanie i mycie prbek.

Poszczeglne etapy procesu polerowania przedstawiono w Tab. 1.

Tab. 1. Warunki procesu technologicznego szlifowania i polerowania prbek ze stopu magnezu AZ31

Etapy procesu Powierzchnia cierna Typ materiau

ciernego rodek

smarujcy

Czas trwania procesu T

[min]

Sia docisku F [N/cm2]

Prdko obro-towa tarczy V

[obr/min] Papier cierny

SiC P600 26 m wosk 5.0 10.0 300 Szlifowanie paszczyzny

prbki Papier cierny SiC P1200 15 m wosk 1.0 5.0 300

Polerowanie wstpne

Sukno cierne Verdu Tex

pasta diamento-wa Buehler ME-TADI 3.0 m

olej syntetyczny Buehler

AUTOMET LAPPING OIL

5.0 2.5 150

Polerowanie wykaczjce

Sukno cierne Chemomet

roztworu Al2O3 Buehler

MASTERPREP 0.05 m

- 3.0 2.5 150


6

Tarcza polerska

Regulacja prdkoci obrotowej

Regulacja: - czasu polerowania, - siy nacisku, - dozowania zawiesiny polerskiej.

Gowica z uchwytami prbek

Elastyczne podoe tarczy polerskiej

Rys. 2. Szlifierko-polerka Phoenix Beta 2 produkcji firmy Wirtz Buehler,

z Katedry Technologii Maszyn P

5.1.3.1. Szlifowanie prbek ze stopu magnezu AZ31 Przebieg procesu szlifowania:

dwuetapowe szlifowanie prbek na polerce mechanicznej uzbrojonej w papierowe krki cierne ze cierniwem z wglika krzemu; na poszczeglnych etapach polerowania rnicowano ziarnisto cierniwa krkw ciernych, wynoszc odpowiednio: w pierwszym etapie 600 (SiC o wymiarze ziarna 8-10 m) oraz drugim etapie 1200 (SiC o wymiarze ziarna 3.5-5.0 m);

mycie prbek bezwodnym alkoholem etylowym o czystoci 99,8% firmy ChemLand w myjce ul-tradwikowej Sonic 1 firmy Polsonic, Polska. Przykadowe wyniki chropowatoci powierzchni po procesie szlifowania przedstawiono na Rys. 3 -

Rys. 6 oraz w Tab. 2.

Chropowato linii skanu profilometru

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

Dugo odcinka pomiarowego [m]

Wysoko [m]

-0.50-0.45-0.40-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50

1000

1025

1050

1075

1100

1125

1150

1175

1200

1225

1250

1275

1300

1325

1350

1375

1400

Rys. 3. Przykadowy profil chropowato powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu


7

Profil linii skanu profilometru

-1.00-0.90-0.80-0.70-0.60-0.50-0.40-0.30-0.20-0.100.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000


Wysoko [m]

Rys. 4. Przykadowy profil powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu

Histogram profilu nonoci

0.0000

0.0025

0.0050

0.0075

0.0100

0.0125

0.0150

0.0175

0.0200

0.0225

0.0250

0.0275

0.0300

0.0325

-0.7

453

-0.7

078

-0.6

703

-0.6

328

-0.5

953

-0.5

578

-0.5

203

-0.4

828

-0.4

453

-0.4

078

-0.3

703

-0.3

328

-0.2

953

-0.2

578

-0.2

203

-0.1

828

-0.1

453

-0.1

078

-0.0

703

-0.0

328

0.00

470.

0422

0.07

970.

1172

0.15

470.

1922

0.22

970.

2672

0.30

470.

3422

0.37

970.

4172

0.45

470.

4922

0.52

970.

5672

0.60

470.

6422

0.67

970.

7172

0.75

470.

7922

0.82

970.

8672

0.90

470.

9422

0.97

971.

0172

1.05

471.

0922

1.12

971.

1672

Chropowato [m]

Warto - prawdopodobiestwo [-]

Rys. 5. Przykadowy histogram chropowatoci powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu

Krzywa nonoci

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.001.05

-0.7

5

-0.6

5

-0.5

5

-0.4

5

-0.3

5

-0.2

5

-0.1

5

-0.0

5

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

Chropowato [m]

Pole nonoci [m]

Rys. 6. Krzywa udziau materiaowego powierzchni prbki ze stopu AZ31 po szlifowaniu


8

Tab. 2. Parametry statystyczne profilu chropowatoci powierzchni po szlifowaniu

Ra Warto rednia z moduu 0.1436 m

RqWarto skuteczna - pierwiastek z wariancji 0.1817 m

Rq Gboko najwikszej doliny -0.7453 m

Rp Wysoko najwikszego szczytu 0.5858 m

RtRozpito midzy dolin i szczytem 1.3311 m

Parametry profilu chropowatoci

5.1.3.2. Polerowanie prbek ze stopu magnezu AZ31 Przebieg procesu polerowania:

polerowanie prbek na polerce uzbrojonej w sukno cierne (VerduTex) oraz zastosowanie pasty dia-mentowej (Buehler METADI 3 m) w roztworze oleju syntetycznego (Buehler AUTOMET LAP-PING OIL);

polerowanie na suknie ciernym Chemomet w obecnoci roztworu Al2O3 (Buehler MASTERPREP 0.05 m);

mycie prbek bezwodnym alkoholem etylowym o czystoci 99,8% firmy Chem Land w myjce ul-tradwikowej Sonic 1 firmy Polsonic. Przykadowe wyniki chropowatoci powierzchni pokazano na Rys. 7 - Rys. 10 oraz w Tab. 3.

Chropowato linii skanu profilometru

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000


Wysoko [m]

-0.10-0.09-0.08-0.07-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.010.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10

1000

1025

1050

1075

1100

1125

1150

1175

1200

1225

1250

1275

1300

1325

1350

1375

1400

Rys. 7. Przykadowy profil chropowato powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu


9

Profil linii skanu profilometru

-1.00-0.90-0.80-0.70-0.60-0.50-0.40-0.30-0.20-0.100.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000


Wysoko [m]

Rys. 8. Przykadowy profil powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu

Histogram profilu nonoci

0.00000.00250.00500.00750.01000.01250.01500.01750.02000.02250.02500.02750.03000.03250.03500.03750.04000.04250.04500.04750.05000.05250.05500.05750.06000.06250.06500.06750.07000.0725

-0.0

873

-0.0

698

-0.0

523

-0.0

348

-0.0

173

0.00

020.

0177

0.03

520.

0527

0.07

020.

0877

0.10

520.

1227

0.14

020.

1577

0.17

520.

1927

0.21

020.

2277

0.24

520.

2627

0.28

020.

2977

0.31

520.

3327

0.35

020.

3677

0.38

520.

4027

0.42

020.

4377

0.45

520.

4727

0.49

020.

5077

0.52

520.

5427

0.56

020.

5777

0.59

520.

6127

0.63

020.

6477

0.66

520.

6827

0.70

020.

7177

0.73

520.

7527

0.77

020.

7877

0.80

52

Chropowato [m]

Warto - prawdopodobiestwo [-]

Rys. 9. Przykadowy histogram chropowatoci powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu

Krzywa nonoci

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.001.05

-0.1

1

-0.1

0

-0.0

9

-0.0

8

-0.0

7

-0.0

6

-0.0

5

-0.0

4

-0.0

3

-0.0

2

-0.0

1

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.11

0.12

0.13

Chropowato [m]

Pole nonoci [m]

Rys. 10. Krzywa udziau materiaowego powierzchni prbki ze stopu AZ31 po polerowaniu

(skala pozioma jest rozcignita w porwnaniu z innymi wykresami)


10

Tab. 3. Parametry statystyczne profilu chropowatoci po polerowaniu

Ra Warto rednia z moduu 0.0214 m

RqWarto skuteczna - pierwiastek z wariancji 0.0267 m

Rq Gboko najwikszej doliny -0.0873 m

Rp Wysoko najwikszego szczytu 0.1142 m

RtRozpito midzy dolin i szczytem 0.2015 m

Parametry profilu chropowatoci

Opracowany proces technologiczny zapewnia waciwe przygotowanie prbek, w zakresie wyma-ganej chropowatoci powierzchni (Ra = 0.02-0.03 m, Rt = 0.2-0.3 m) oraz odpowiedniej jej czysto-ci (w tym usunicia produktw obrbki ciernej).

Na rysunkach (Rys. 3 do Rys. 10) przestrzegano zasady jednakowej skali pionowej i poziomej, aby umoliwi bezporednie porwnanie wynikw.

5.1.4. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw wglowych na stopach magnezu metod PACVD

Warstwy wglowe na prbkach ze stopu magnezu AZ31 wytwarzano metod PACVD (Plasma Ac-tivated Chemical Vapour Deposition). Metoda ta polega na rozkadzie wglowodoru (metanu) w polu elektrycznym wysokiej czstotliwoci 13.56 MHz, uzyskiwanym przy cinieniu w komorze roboczej 10-20 Pa i temperaturze okoo 150C (423 K).

O wyborze tej metody zadecydoway zarwno jej dostpno i niskie koszty procesu wytwarzania warstw, jak i bardzo dobre wyniki uzyskane t technik przy wytwarzaniu warstw wglowych na podo-ach stalowych do zastosowa medycznych, dla przemysu jubilerskiego (jako kolorowe warstwy wg-lowe) oraz przemysu narzdziowego (do pokrywania ostrzy skrawajcych z wglikw spiekanych).

Stanowisko badawcze do realizacji metody PACVD skada si z: komory reaktora plazmowego cho-dzonej wod, elektrody wysokiej czstotliwoci zamontowanej w pycie podstawy i poczonej przez kondensator (zapewniajcy ujemny potencja polaryzacji) z generatorem wysokiej czstotliwoci (umo-liwiajcym wytworzenie plazmy o duej gstoci i utrzymujcym czstotliwo na staym poziomie), uk-adu prniowego oraz ukadu pomiarowo-sterujcego. Do wytwarzania warstw wglowych na stopie magnezu AZ31 wykorzystano dwa bliniacze stanowiska badawcze, znajdujce si w Instytucie Inynie-rii Materiaowej Politechniki dzkiej oraz francuskiej uczelni ECAM w Lyonie. Urzdzenia te posiada-y take moliwo bezstopniowej regulacji potencjau autopolaryzacji elektrody roboczej w zakresie 0-1200 V. Naley podkreli, e pozostae parametry techniczne tych urzdze, majce wpyw na chara-kter wyadowania plazmowego, tj.: wymiary komory roboczej, rednica elektrody wysokiej czstotliwo-ci oraz wzajemny stosunek elektrod, nie rniy si w sposb znaczcy od siebie.

Widok oglny stanowisk badawczych do wytwarzania tych warstw przedstawiono na Rys. 11, nato-miast schemat stanowiska do wytwarzania warstw wglowych przedstawiono na Rys. 12.


11

Komora prniowa z polem w.cz.

i paszczem wodnym

Elektroda

Dozownik mieszaniny

gazw

Regulacja parametrw

elektrycznych

Prniomierz

Sterowaniepomp

prniow

Rys. 11. Widok oglny stanowiska do syntezy warstw wglowych metod PACVD - Politechnika dzka

Pa

RF

Ukad dozowaniai mieszania gazw

Prniomierz

Obudowa prniowa ze stabilizacjtemperatury paszczem wodnym

Generator wysokiejczstotliwoci: 13.56 MHz

Ukad dopasowujcy falowo Do pompy prniowej

Uszczelnienie prniowe

Pole wielkiej czstotliwoci

Wizjery

CH4 H2 Ar

Szczegy konstrukcji elektrody obrotowej:

objaninia w tekcie Wlot / wylot wody chodzcej

Rys. 12. Schemat stanowiska do syntezy warstw wglowych metod PACVD: 1 zewntrzna obudowa, 2 separator chodzcy, 3 pokrywa, 4 zewntrzne wrzeciono, 5 wewntrzne wrzeciono,

6 ruba dociskowa, 7 podkadka, 8-12 piercienie uszczelniajce


12

Rys. 13. Warstwy wglowe wytworzone na stopie AZ31 metod PACVD; kolor zaley od gruboci warstwy

Wyniki bada potwierdziy, e wytworzone t technologi warstwy wglowe na stopie magnezu AZ31 charakteryzuj si m.in.: wysok nanotwardoci, odpornoci na zuycie i korozj, dobr ad-hezj oraz podanymi walorami dekoracyjnymi (Rys. 13). Identyfikacja alotropowych odmian wgla w powokach wytworzonych metod PACVD wykazaa, e pierwiastek ten wystpuje gwnie w po-staci diamentu oraz grafitu-alfa. Oprcz tych dominujcych odmian wgla (tj. diamentu i grafitu) zi-dentyfikowano take nieznaczne iloci innych form wgla w postaci fullerenw i nanorurek oraz form piercieniowych, a take wgla bezpostaciowego (amorficznego).

5.1.5. Opracowanie nowej technologii wytwarzania warstw TiN na stopach magnezu metod PVD

Do wytworzenia warstw ochronnych TiN na stopie magnezu AZ31 zastosowano hybrydow meto-d PVD CAE (Physical Vapour Deposition Cathodic Arc Evaporation). Proces wytwarzania tych warstw zrealizowano na wielordowym, hybrydowym urzdzeniu przemysowym typu URM 079, umoliwiajcym osadzanie powok fizycznymi i chemicznymi metodami plazmowymi w Instytucie Inynierii Materiaowej Politechniki dzkiej.

Komora prniowa

z oprzyrzdowaniem do generacji plazmy

Generator magnetronowy

w.cz.

Zasilacze elektrod ukowych o pracy

cigej

Panelekontrolne

Panele kontrolne

Zasilacze elektrod ukowych o pracy

impulsowej

Dozowanieprzepywu

gazw

Blok pomp prniowych

Monitorowanieprni

Polaryzacjapodoy

Rys. 14. Widok hybrydowego urzdzenia URM 079 do osadzania powok metod plazmow


13

Urzdzenie wyposaone jest w dwa niezalene niskonapiciowe parowniki ukowe, z filtracj mag-netyczn mikrokropli do wytwarzania metalicznej plazmy (maksymalny prd wyadowania 180 A). Posiada dwa impulsowe rda plazmy (rednia moc impulsu 1 kW) oraz rdo magnetronowe (moc 10 kW) z paskim targetem koowym o rednicy 100 mm. Umoliwia plazmowe czyszczenie powierz-chni czterema niezalenymi dziaami jonowymi (4 kV/100 mA) w atmosferze argonu. Napicie pola-ryzacji podoa w zakresie wysokich napi jest regulowane skokowo (-800 do -2500 V), natomiast w zakresie niskich napi bezstopniowo (0 do -200 V). Nominalna prnia wynosi poniej 1.0x10-4 Pa.

Oglny widok stanowiska przedstawiono na Rys. 14, natomiast schemat komory prniowej i jej wyposaenie na Rys. 15.

Ar, N2, C2H2, CH4, O2

Do ukadu pompowego

Zasilacz polaryzacji

wsadu

Ukad pomiaru temperatury

Sterowniki przepywu

gazw

Zasilacz uku o pracy cigej

Zasilacz uku o pracy cigej

Zasilacz dziaa jonowego




Zasilacz impulsowy

plazmy wglowej

Zasilacz impulsowy

plazmy wglowej

Zasilacz magnetronu

Rys. 15. Schemat rozmieszczenia poszczeglnych elementw w komorze

Rys. 16. Warstwa TiN na stopie AZ31 wytworzona metod PVD


14

5.1.6. Wnioski Opracowano i eksperymentalnie zweryfikowano technologie wytwarzania warstw wglowych na

stopie magnezu AZ31 metod PACVD, o podanych waciwociach mechanicznych i fizyko-chemi-cznych. Wytworzone t metod warstwy wglowe charakteryzuj si m.in.: wysok nanotwardoci (porwnywaln do diamentu), du odpornoci na zuycie i procesy korozyjne oraz atrakcyjnymi wa-lorami dekoracyjnymi.

Technologiami CVD zajmuje si w Politechnice odzkiej zesp pod kierunkiem prof. dr hab. hc. Stanisawa Mitury i prof. dr hab. in. Piotra Niedzielskiego oraz w Politechnice Rzeszowskiej zesp pod kierunkiem prof. dr hab. in. Jana Sieniawskiego.

Wyniki bada wykazay, e wytworzone t technologi warstwy ochronne TiN na stopie AZ31 charakteryzuj si bardzo dobrymi waciwociami mechanicznymi, w tym istotnym zwikszeniem nanotwardoci (okoo dwunastokrotny wzrost) oraz wzrostem moduu Younga (wzrost o okoo 250%) w porwnaniu do stopu magnezu bez tej powoki patrz rozdzia 5.2.3. Wytworzone warstwy TiN charakteryzuj si rwnie podanymi walorami dekoracyjnymi dziki ich rwnomiernej fakturze powierzchni oraz jednolitym, atrakcyjnym zotym kolorem powierzchni (Rys. 16).

Warstwami TiN zajmuje si w Politechnice dzkiej zesp pod kierunkiem prof. dr hab. Bogdana Wendlera.

5.1.7. Wykaz publikacji O tematyce poruszanej w tym punkcie traktuj nastpujce publikacje (z listy przedstawionej

w rozdziale 4.): 1. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ: Raman Spectra Evaluation of Carbon Layers with

Voigt Profile, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering - JAMME, ISSN: 1734-8412, Vol. 37, No. 2., 2009, pp. 270-276, (udzia Habilitanta 65%).

2. M. GOBCZAK, B. WENDLER, W. PAWLAK: Warstwy ochronne TiN na stopach magnezu wytwarzane metod PAPVD, Inynieria Maszyn (Journal of Machine Engineering), ISSN: 1426-708X, Vol. 12, No. 4, 2009, str. 31-41, (udzia Habilitanta 50%).

3. M. GOBCZAK: Polerowanie stopw magnezu, Wspczesne Problemy Obrbki ciernej pod redakcj J. Plichty, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszaliskiej, ISSN: 0239-7129, 2009, str. 517-526, (udzia Habilitanta 100%).

4. M. GOBCZAK: Properties of Hard Carbon Coatings Manufactured on Magnesium Alloys by PACVD Method, Advanced Knowledge Application in Practice, Edited by Igor Fuerstner, Sciyo, Croatia, ISBN: 978-953-307-141-1, 2010, pp. 61-84, (udzia Habilitanta 100%).

5. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ: Notices on Method of Thickness Evaluation of the TiN Layers on Magnesium Alloys, Defect and Diffusion Forum, ISSN:1662-9507, Vols. 297-301, 2010, pp. 641-649, (udzia Habilitanta 65%). IF 0.483

6. M. GOBCZAK: Estimation of Carbon Coatings Manufactured on Magnesium Alloys, Special Is-sues on Magnesium Alloys, Edited by Waldemar Alfredo Monteiro, InTech, Croatia, ISBN: 978-953-307-391-0, 2011, pp. 41-66, (udzia Habilitanta 100%).

7. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ: Quantitative Evaluation of the Raman Spectra of Carbon Layers, Defect and Diffusion Forum, ISSN: 1662-9507, Vols. 312-315, 2011, pp. 265-270, (udzia Habilitanta 65%). IF 0.483

8. M. GOBCZAK: Characteristics of TiN and NCD Layers Deposited on Magnesium Alloys, Journal of Nano Research, ISSN:1662-5250, Vol. 16, 2011, pp. 29-35, (udzia Habilitanta 100%). IF 0.570

9. M. GOBCZAK, P. JACQUET: Thickness Evaluation of the Carbon Coatings Manufactured on Magnesium Alloys Using Optical Profiler, Journal of Machine Engineering, ISSN: 1426-708X, Vol. 12, No. 2, 2012, pp. 29-36, (udzia Habilitanta 65%).

16. M. GOBCZAK, A. KONSTANTYNOWICZ, A. GOBCZAK: Use of the Cellular Automata for Modeling of the Carbon Nanolayer Growth on a Light Alloy Substrate, Journal of Nano Research, ISSN:1662-5250, Vol. 26, 2014, pp. 159-167, (udzia Habilitanta 60%). IF 0.570


15

5.2. Modelowanie matematyczne warstw wglowych wytworzonych na stopach magnezu

5.2.1. Opracowanie modelu matematycznego opisujcego odporno korozyjn warstw wglowych na stopie magnezu AZ31 HP

5.2.1.1. Podstawy teoretyczne i metodyka badania Badania elektrochemiczne przeprowadzono w standardowym pynie symulujcym korozj elektro-

chemiczn, czyli pynie Tyrodea. Zakres modelowanego dziaania rodowiska naturalnego odpowiada dziaaniu lekko kwanych pynw organicznych.

Tab. 4. Skad pynu Tyrodea

Skadnik Zawarto w g/dm3 NaCl 8.00 KCl 0.20 CaCl2 0.20 MgCl2 0.10 NaH2PO4 0.05 NaHCO3 1.00 Glukoza 1.00

Kwasowo: pH = 6.5

Podczas przepywu prdu przez styk przewodnik-elektrolit (zcze przewodnik-elektrolit) ma miej-sce szereg reakcji elektrochemicznych, opisywanych w terminach elektrycznych i termodynamicz-nych, ujtych syntetycznie przez pempiryczne rwnanie Butlera1 Volmera2 (Rys. 17):

(1) ( ) ( )

=

00

0

UTknqU

Tknq

eejj

gdzie: j - gsto prdu wymiany (przez umown powierzchni styku) na styku przewodnik-elektrolit, w [A/m2];

j0 - gsto prdu nasycenia (przez umown powierzchni styku) na styku przewodnik-elektrolit, w [A/m2];

q - adunek elementarny elektronu: q = 1.6021773310-19 C [As]; n - wartociowo jonu biorcego udzia w wymianie; k - staa Boltzmanna: k = 1.380651E-23 J/K [(m2kg)/(s2K)]; T - temperatura styku w [K]; U - napicie przyoone do styku (pomidzy przewodnikiem i elektrod odniesienia zanu-

rzon w elektrolicie, zwykle kalomelow3), w [V]; 0 - potencja kontaktowy wynikajcy z istnienia adunku w tzw. podwjnej warstwie4

Helmholtza5, w [V];

1 John Alfred Valentine Butler (1899-1977), brytyjski chemik i fizyk, zajmowa si zwizkami pomidzy elektrycznym

i termodynamicznym opisem zjawisk w elektrochemii. Swoje rwnanie opublikowa w roku 1924. W roku 1951 poda teori styku przewodnik-elektrolit podobn do teorii pasmowej zcza p-n dwch pprzewodnikw. Zajmowa si rw-nie biochemi badania nad kinetyk reakcji enzymatycznych trypsyny w roku 1941.

2 Max Volmer (1885-1965), niemiecki chemik i fizyk, pracowa w Lipsku, Hamburgu i Berlinie. Zajmowa si fizyk po-wierzchni, fotochemi i matematycznymi modelami wzrostu krysztaw w rnych warunkach. W latach 1945-1955 zaj-mowa si rwnie fizyk jdrow w Zwizku Radzieckim.

3 Elektroda kalomelowa jest jedn z tzw. elektrod odniesienia stosowanych w elektrochemii. Stanowi j rureczka z mikroporo-watego szka, z warstw rtci i warstw chlorku rtciawego Hg2Cl2 (kalomel) w roztworze 1n KCl (1 mol/1 dm3 chlorku pota-sowego). Jej standardowy potencja w temperaturze 25C wynosi 0.2801 V w stosunku do platynowej elektrody odniesienia.


16

, - wspczynniki przenoszenia adunku w procesie odpowiednio katodowym i anodo-wym, czsto definiowane symetrycznie: =1 .

Spotyka si rne formy zapisu tego rwnania. W szczeglnoci rnice dotycz sposobu traktowa-nia wspczynnikw i . Naley rwnie podkreli, e rwnanie (1) opisuje proces wywoany przez wymian jednego rodzaju jonw. W przypadku elektrolitu o zoonym skadzie, naley uoy rwnania Butlera-Volmera osobno dla kadego rodzaju jonw i zsumowa otrzymane gstoci prdw wymiany.

RS1 RS2

U D1 D2

01 02

I I1 I2

Rys. 17. Struktura modelu Butlera-Volmera w postaci nieliniowego

obwodu elektrycznego o staych skupionych. Objanienia w tekcie

Zwizki pomidzy elementami modelu z Rys. 17 i zjawiskami zachodzcymi na styku przewod-nik-elektrolit s nastpujce: diody D1 i D2 s zasadniczym elementem proponowanego modelu i odpowiadajc wykadniczym

czonom rwnania Butlera-Volmera odpowiadaj za zjawiska dyfuzyjne; oporniki RS1 i RS2 odpowiadaj za zjawisko unoszenia nonikw adunku, widoczne szczeglnie przy

wyszych napiciach U; generatory napiciowe 01 i 02 odpowiadaj za stykowe rnice potencjaw dla anodowej i katodo-

wej czci charakterystyki.

Rwnania opisujce obwd (Rys. 17) s nastpujce: dla gazi anodowej (lewa opadajca):

(2)

=

111

011DUTk

mq

ejj

(3) UUjR DS =++ 01111

dla gazi katodowej (prawa wznoszca si):

(4)

=

122

022DUTk

mq

ejj

(5) UUjR DS =++ 02222 .

4 Podwjna warstwa Helmholtza pochodzi przede wszystkim od adunku jonw zaadsorbowanych na powierzchni przewodni-

ka zanurzonego w elektrolicie, rwnowaonego przez adunek powierzchniowy zgromadzony w przewodniku. Jest ona od-powiednikiem tzw. warstwy adunku przestrzennego tworzcego zcze p-n w przyrzdach pprzewodnikowych.

5 Herman Ludvig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), fizyk niemiecki. By twrc nowoczesnego zastosowania prawa zachowania energii oraz twrc, opartej na rwnaniach Maxwella, elektrodynamiki oddziaywania na odlego. W dziedzinie teorii obwodw elektrycznych sformuowa podstawowe prawa ich analizy, ktre potem, niezalenie, od-kryli inni. Zajmowa si rwnie podstawami przemian energetycznych w organizmach ywych.


17

Cakowity prd pyncy przez styk jest sum prdu anodowego i prdu katodowego:

(6) 21 jjj += .

W modelu z rwnaniami (2) do (6) wprowadzono dwa parametry: m1 i m2, ktrych rola nie wynika wprost z Rys. 17. Odpowiadaj one odpowiednio iloczynom n oraz n w rwnaniu Butlera-Volmera. Iloczyny te nie mog by rozdzielone (zidentyfikowane) bez wprowadzenia dodatkowej in-formacji spoza modelu. Moe ni by np. informacja o skadzie pynu Tyrodea, w ktrym odbywaj si standardowe badania elektrokorozji. Wwczas wartociowo jonw biorcych udzia w strumie-niu nonikw adunku daje nam parametr n, a znajc iloczyny, moemy doj do konkretnych wartoci i z rwnania Butlera-Volmera.

5.2.1.2. Otrzymane rezultaty Zastosowanie metody najmniejszych kwadratw daje wartoci parametrw modelu, bdce estymatorami

nieobcionymi i najefektywniejszymi wartoci rzeczywistych.

Tab. 5. Wyniki identyfikacji modelu dla pytki magnezowej nie pokrytej warstw wglow

J0 0 m RSmA/cm2 V -

Dioda I 0.009145 -1.6622 0.4276 1092.46Dioda II 0.000100 -1.6482 0.9607 643.96

mA/cm2

Parametry modelu

4.027E-035.280E-02

Bd kwadratowyOdchyka 3

W tabelach (Tab. 5 i Tab. 6) zamieszczono rezultaty identyfikacji parametrw modelu dla dwch prbek. Badano ich odporno na korozj elektrochemiczn. Eksperyment przeprowadzono w standar-dowym pynie Tyrodea w temperaturze 20C. Otrzymane rezultaty krzywe potencjostatyczne (krzy-we Tafela), przedstawiono czerwonymi punktami na Rys. 18 i Rys. 19, na tle zielonych linii bdcych wykresem modelowych funkcji.

Tab. 6. Wyniki identyfikacji modelu dla pytki magnezowej pokrytej warstw wglow ze znacznym udziaem diamentu

J0 0 m RSmA/cm2 V -

Dioda I 0.026058 -1.6501 0.3588 892.26Dioda II 0.008067 -0.7000 0.1867 152.36

mA/cm2Odchyka 37.947E-05

Parametry modelu

Bd kwadratowy7.720E-03

Punkty przecicia krzywych napicia na diodach z osi OX daj wartoci napi 01 i 02 charak-teryzujcych warstw podwjn Helmholtza odpowiednio dla procesu anodowego i katodowego.

Rozsunicie si punktw tzw. przebicia katodowego i anodowego daje zakres ochrony, jak dla ko-rozji elektrochemicznej stanowi warstwa wglowa ze znacznym udziaem diamentu, naniesiona na prbk wykonan ze stopu magnezu.


18

Krzywa potencjostatyczna korozji elektrochemicznejdla stopu magnezu bez warstwy wglowej

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

-2.75 -2.50 -2.25 -2.00 -1.75 -1.50 -1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25

Napicie [V]

Gsto prdu [mA/cm2]

DaneDioda 1: PrdDioda 1: NapicieDioda 2: PrdDioda 2: NapicieModel

Dioda IDioda II

J0mA/cm20.0091450.000100

0000V

-1.66225-1.64817

m-

0.427570.96069

RS

1092.46643.96

Parametry modelu

Rys. 18. Przebieg dowiadczalnej i modelowej krzywej potencjostatycznej (charakterystyka Tafela)

dla stopu magnezu nie pokrytego warstw ochronn

Krzywa potencjostatyczna korozji elektrochemicznejdla stopu magnezu z warstw wglow

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

-2.75 -2.50 -2.25 -2.00 -1.75 -1.50 -1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25

Napicie [V]

Gsto prdu [mA/cm2]

DaneDioda 1: PrdDioda 1: NapicieDioda 2: PrdDioda 2: NapicieModel

Dioda IDioda II

J0mA/cm20.0260580.008067

0000V

-1.6501-0.7000

m-

0.35880.1867

RS

892.26152.36

Parametry modelu

Rys. 19. Przebieg dowiadczalnej i modelowej krzywej potencjostatycznej (charakterystyka Tafela)

dla stopu magnezu pokrytego ochronn warstw diamentow

5.2.1.3. Wnioski Przeprowadzone badanie potencjostatyczne potwierdziy moliwo zastosowania warstw wglo-

wych do ochrony przeciwkorozyjnej wyrobw ze stopw lekkich, w tym zwaszcza stopw magnezu. Badanie potencjostatyczne warstw wglowych w rnych, zdefiniowanych rodowiskach, nie tylko

w pynie Tyrodea, moe stanowi dobre narzdzie do oceny szczelnoci warstwy wglowej w nanoskali.


19

5.2.2. Opracowanie modelu do jakociowej i ilociowej analizy warstw wglowych

5.2.2.1. Podstawy teoretyczne i metodyka badania Narzdziem stosowanym do badania skadu alotropowego warstw wglowych jest spektrometria

ramanowska. Jest to podyktowane koniecznoci rozrnienia nie pomidzy atomami rnych pier-wiastkw, a typami wiza zawsze tego samego pierwiastka wgla, ewentualnie zwizkw wgla z innymi pierwiastkami, a przede wszystkim z wodorem. W toku zaawansowanej analizy spektrogra-mw ramanowskich mona dokona nie tylko jakociowego rozpoznania form wgla, ale rwnie ich oznaczenia ilociowego, niezbdnego dla wiadomego wykorzystania warstw wglowych w technolo-giach mechanicznych.

5.2.2.1.1. Istota fizyczna zjawiska Ramana Istota fizyczna zjawiska Ramana6 zostaa bardzo omwiona na przystpnym poziomie w wielu po-

zycjach wymienionych w bibliografii. Jest to zjawisko nalece do dziedziny tzw. nieliniowej optyki kwantowej i, jak mona si domyle, polega na oddziaywaniu spjnego promieniowania elektromag-netycznego z materi. Przedmiotem zainteresowania jest wymuszone zjawisko Ramana, czyli proces oddziaywania promieniowania lasera z orodkiem, przez ktry przechodzi wizka w taki sposb, e: niektre kwanty tego promieniowania s rozpraszane na orodku, wzbudzajc w nim drgania mechani-

czne drgania podune (drgania akustyczne); fotony rozproszone nie maj cile okrelonego kierunku (rozproszenie Stokesa);

inne kwanty tego samego promieniowania rozpraszane s na uprzednio wzbudzonych drganiach, czyli mwi si wwczas o rozpraszaniu fotonw na fononach kwantach drga mechanicznych; fotony rozproszone maj wwczas cile okrelony kierunek rozchodz si po pobocznicy stoka otaczajcego gwn wizk promieniowania lasera, ktrej kt rozwarcia jest cile zwizany z wektorem falowym padajcych fotonw i z wektorem falowym wzbudzonych fononw jest to rozpraszanie nazywane antystokesowskim.

k+S

kL

k-S

kL

promie k+S promie k-S

kP

Wzbudzone fonony kwanty drga mechani-cznych, zalene od wasnoci materiau

padajce promieniowanie lasera: pierwszy wzbudzajcy foton

Padajce promieniowanie lasera:drugi odczytujcy foton

Rozpraszanie antystokesowskie: rozpro-szone promieniowanie ma wiksz energi ni padajce; kierunek jest jednoznaczny

Rozpraszanie stokesowskie: rozproszone promieniowanie ma

energi mniejsz ni padajce; kie-runek jest dowolny

Rys. 20. Schemat wektorowy wymuszonego rozpraszania ramanowskiego jako dwch procesw dwufotonowych, z udziaem fononw o rnych kierunkach i energiach

6 Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970), fizyk hinduski, urodzony w Tiruczinapalli w poudniowych Indiach (Tamil-

nadu), w rodzinie o naukowych skonnociach jego siostrzeniec Subrahmanyan Chandrasekhar otrzyma nagrod Nobla z fizyki w 1983 roku. Gwn osi jego zainteresowa bya optyka i akustyka kwantowa, ale mia i dorobek w takich dziedzi-nach jak optyka koloidw, anizotropia magnetyczna i fizjologia ludzkiego widzenia. Nagrod Nobla (jako pierwszy Hindus) otrzyma w roku 1930 za odkrycie zjawiska nazwanego jego imieniem.


20

Mechanizm wymuszonego zjawiska Ramana zosta opisany przez Zeigera i wsppracownikw. Odbywa si ono w dwch etapach opisanych przy pomocy falowych rwna wektorowych:

(7) SPL +=+ kkk PSL kkk +=

Po dodaniu stronami rwna (7) otrzymamy:

(8) SSL + += kkk2

gdzie: kL - wektor falowy fotonu wizki laserowej, [1/m], k+S - wektor falowy fotonu wizki antystokesowskiej, [1/m], k-S - wektor falowy fotonu wizki stokesowskiej, [1/m].

5.2.2.1.2. Analiza widma Ramana

Oryginalne widma Ramana z eksperymentu

0

6000

12000

18000

24000

30000

36000

42000

48000

54000

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900

Przesunicie Ramana [cm-1]

Wzgldnaintensywno

Prba 1Prba 2Prba 3Prba 4Prba 5

Rys. 21. Oryginalne widma otrzymane z laserowego spektrometru ramanowskiego dla rnych warstw wglowych osadzonych na stopie magnezu

Wstpna analiza widm uzyskanych z eksperymentu wskazuje na konieczno pewnej standaryzacji, czyli sprowadzenia wszystkich krzywych do tej samej bazy. Wymaga to przyjcia modelu caego po-miaru, na ktrego efekt kocowy, czyli ktr z krzywych z Rys. 21 skada si kilka, hierarchicznie uporzdkowanych zjawisk: pojedynczy akt rozpraszania odbywajcy si zgodnie z mechanizmem Breita-Wignera-Fano, opisa-

nym krzyw typu:

(9) ( ) ( )200

1

+=

SII

gdzie: I0 - maksymalna, wzgldna intensywno wizki, S - parametr okrelajcy szeroko wizki (im wikszy, tym wizka wsza), w [rad-2], 0 - kt, dla ktrego wizka osiga maksymaln intensywno, odpowiadajcy wektorowi

falowemu maksimum intensywnoci, w [rad].


21

nakadanie si bardzo wielu wizek odbitych od poszczeglnych nanokrysztakw i innych form skadajcych si na struktur warstwy wglowej,

intensywne drgania termiczne caej struktury pochodzce przede wszystkim od nagrzewania absor-bowanym promieniowaniem laserowym,

ograniczona rozdzielczo ktowa detektora z interferometrem Fabryego-Prota, powodujca rozmycie gaussowskie wizki odbitej, a zatem rozmycie piku intensywnoci w funkcji wektora falowego. Sumowanie si wymienionych zjawisk odzwierciedlone jest splataniem si ich rozkadw gstoci

prawdopodobiestwa, co daje, z centralnego twierdzenia granicznego, rozkad gaussowski jako grani-czny, przy bardzo oglnych zaoeniach. Zatem dla pojedynczego piku spektrogramu dobrym mode-lem wydaje si krzywa dzwonowa Gaussa, opisana zalenoci:

(10) ( )( )

=2

20

20 exp2

1,

xx

xG

i funkcja odzwierciedlajca przebieg pojedynczego spektrogramu z Rys. 21 w postaci:

(11) ( ) ( ) ( )BBBN

nnV SIIBkkGIkI MINMAXnn ,,,

100 +=

=

gdzie: I0n - maksymalna, wzgldna intensywno wizki dla n-tego piku, n - parametr okrelajcy szeroko gaussowsk wizki (im wikszy, tym wizka wsza),

wyraony w [cm2], k0n - wektor falowy dla ktrego pik osiga maksimum intensywnoci, wyraony w [cm-1]

gdzie funkcja bazowa B(IBMIN, IBMAX, SB), niezbdna do standaryzowania rnych spektrogramw do jed-nej podstawy, ma posta:

(12) ( ) ( ) ( )( )MINMINMAXMINMAX BBBBBBB

IkSIISIIB += exp1,, gdzie: IBmax - maksymalna, wzgldna warto funkcji bazowej (podstawy), IBmin - minimalna, wzgldna warto funkcji bazowej (podstawy), SB - parametr okrelajcy szybko narastania funkcji bazowej, wyraony w [cm].

Waciwa konstrukcja funkcji bazowej jest sama w sobie skomplikowanym problemem, zwiza-nym ze szczegow dyskusj powstawania rozproszenia Ramana na prbce i sposobu pomiaru spekt-rogramu. Uyto tutaj prostego modelu funkcjonalnego, nie strukturalnego, zawierajcego trzy parame-try, czyli trzy stopnie swobody. Wane jest, e zawsze piedesta jest liczony wedug tej samej funkcji (12) zmieniaj si tylko jej parametry ze spektrogramu na spektrogram.

Wybr funkcji (11) o charakterze addytywnym (sumacyjnym) ma wane uzasadnienie metrologicz-ne. Cakujc bowiem pole pod kadym ze skadowych pikw, mona uzyska miar zawartoci formy alotropowej w sensie intensywnoci rozpraszania Ramana na wizaniach midzyatomowych dla niej waciwych. Metod ilustruj: Rys. 22 i rwnania (13) oraz (14):

(13) WN

iP

W

Pi SSS

SE

i

i == =1

gdzie: SPi - pole powierzchni pod pikiem o numerze i, SW - cakowite pole powierzchni pod spektrogramem, oczywicie standaryzowanym, po

odjciu funkcji bazowej (12), a std:

(14) 11

==

N

iiE .


22

Ilustracja koncepcji pomiaru wydajnoci diamentu

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900Przesunicie Ramana [cm-1]

Wzgldna intensywno [-]

Pole poddopasowanym widmem

Pole podpikiem diamentu

Rys. 22. Ilustracja koncepcji pomiaru wydajnoci tworzenia diamentu w warstwie wglowej

Pocztkowe analizy warstw wglowych wykonano dokadnie wedug modelu okrelonego rwna-niem (11). W toku dalszych prac i prb powikszenia precyzji wykonywanych oznacze ilociowych, przyjto doskonalsz funkcj modelujc przebieg spektrogramu, wykorzystujc koncepcj pikw Vo-igta, ktra powstaa si na gruncie obserwacji optycznych w astronomii.

Funkcja modelu, jak przyjto ostatecznie w analizie przytoczonych na Rys. 21 danych dowiad-czalnych, ma wic posta:

(15) ( ) ( ) ( )BBBN

nnnV SIIBkkVIkI MINMAXnn ,,,,

100 +=

=

gdzie: n - parametr okrelajcy pogrubienie wizki w interferometrze (im wikszy, tym wizka szersza), wyraony w [cm2],

- pozostae zmienne i parametry jak dla funkcji (11). Funkcja V() czyli profil Voigta, jest specyficzn funkcj splotow, zawierajc w sobie zarwno

cechy widma Ramana jak i wpyw interferometru Fabryego-Prota uytego jako detektor:

(16) ( ) ( ) ( )+

= dttxCtGxV ,,,,

gdzie: G(x,) - funkcja Gaussa, okrelona rwnaniem (10), C(x, ) funkcja (rozkad) Cauchyego, modelujca wpyw interferometru Fabryego-Prota,

zwana te rozkadem Lorentza, z parametrem okrelajcym jej szeroko:

(17) ( ) ( )22, +

=x

xC.

W formie zamknitej, po wykonaniu cakowania splotowego, profil Voigta moe by wyraony jako:

(18) ( ) ( )[ ]

2

Re,, zFxV =

gdzie zespolona zmienna z jest w postaci:

(19) 2jxz +=

a F(z) jest zespolon dopeniajc funkcj bdu, nazywan take funkcj Faddeevei:

(20) ( ) ( )jzerfcezF z = 2 gdzie z kolei: (21) ( ) ( )zerfzerfc =1 jest dopeniajc funkcj bdu zmiennej zespolonej z, wyraon jako (nieanalityczna) caka:


23

(22) ( )

=x

t dtexerfc22

.

-4.0

-3.2

-2.4

-1.6

-0.8

0.0

0.8

1.6

2.4

3.2

4.0

-4.0-3.2

-2.4-1.6

-0.80.0

0.81.6

2.43.2

4.0

0.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.5000.5500.6000.6500.7000.7500.8000.8500.9000.9501.0001.0501.1001.1501.2001.2501.3001.3501.4001.4501.5001.5501.6001.6501.7001.7501.8001.8501.9001.9502.0002.0502.1002.1502.2002.2502.3002.3502.4002.4502.500

Mod[Fa(z)]

Y

X

Modulus surfaceof Faddeeva function

0.0000.300

0.6000.900

1.2001.500

1.8002.100

2.4002.700

3.000

-3.0

00

-2.4

00

-1.8

00

-1.2

00

-0.6

00

0.00

0

0.60

0

1.20

0

1.80

0

2.40

0

3.00

0

0.0000.0250.0500.0750.1000.1250.1500.1750.2000.2250.2500.2750.3000.3250.3500.3750.4000.4250.4500.4750.5000.5250.5500.5750.6000.6250.6500.6750.7000.7250.7500.7750.8000.8250.8500.8750.9000.9250.9500.9751.000

Re[Fa(z)]

Y

X

Real partof Faddeeva function

Rys. 23. Zespolona funkcja bdu (funkcja Faddeevei): powierzchnia moduu i czci rzeczywistej

Rne profile Voigtadla rnych parametrw

rozkadu Cauchy'ego

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

-3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

X

Y

Funkcja Gaussa

0.050

0.100

0.200

0.400

1.000

2.000

4.000

10.000

Para

met

r roz

kad

u C

auch

y'eg

o

Rys. 24. Porwnanie profilw (pikw) Voigta utworzonych ze znormalizowanego rozkadu Gaussa

i rozkadw Cauchyego rnej szerokoci opisanej parametrem

Efektywne wyliczanie zespolonej funkcji erfc , czyli szybkie i precyzyjne, nawet dla wzgldnie du-ych wartoci |z|, a nastpnie obliczenie funkcji Faddeevei, stanowi powany problem. Znanych jest kilka metod, czasami zakadajcych od razu uycie ich do analizy spektrogramw. Wszystkie s opar-te na rnych przyblieniach funkcji F(z) danej w postaci rozwinicia w szereg potgowy, wzgldnie atwych do realizacji numerycznej. Ostatecznie skorzystano z uniwersalnego rozwinicia w szereg po-tgowy Taylora wzgldem zmiennej z:

(23) ( ) ( )( )

=

+

+=

0

12

12!12

n

nn

nnzzerf

Ze wzorw (21), (22) i (23) otrzymuje si nastpujce wyraenie dla funkcji Faddeevei:

(24) ( ) ( )( )

+

=

=

+

0

12

12!121

2

n

nnz

nnzezF

.

Obliczanie szeregu (24) moe zosta bardzo przypieszone dziki zastosowaniu: iteracyjnego obliczania kadego skadnika sumy z poprzedniego, czyli tzw. przeksztacenie wyra-

enia (23) do postaci multiplikatywnej;


24

wykonywania kadego mnoenia zespolonego w formie algebraicznej, a nie trygonometryczej, co da-je wiksz liczb operacji elementarnych, ale pozwala unikn liczenia funkcji trygonometrycznych, co jest najdusz operacj numeryczn. Zachowanie okoo 30 wyrazw rozwinicia w szereg potgowy pozwala na wyliczenie zespolonej fun-

kcji bdu z bdem numerycznym mniejszym ni 10-10 w okolicach centrum ukadu wsprzdnych. Zwikszenie liczby skadnikw do okoo 250 pozwala na precyzj lepsz ni 10-15 nawet na promieniu |z| na poziomie 5. Tak szczegowe potraktowanie kwestii numerycznych jest niezbdne, gdy kady pik (z 8 przyjtych do analizy) liczony jest w jednej iteracji dopasowania spektrogramu tyle razy, ile jest punktw spektrogramu, czyli w tym przypadku 1706 razy. Cao oprogramowano w arkuszu kalkulacyjnym Excel z uzupeniajcymi wstawkami oprogramowania w jzyku Visual Basic.

Wykresy powierzchni funkcji przedstawiono na Rys. 23, natomiast ksztat piku Voigta na Rys. 24.

5.2.2.1.3. Interferometr Fabryego-Prota Interferometr (rezonator) Fabryego-Perota to przyrzd skadajcy si z dwch paszczyzn czcio-

wo odbijajcych promieniowanie elektromagnetyczne, umieszczonych w bardzo niewielkiej odlego-ci od siebie, z reguy wynoszcej wielokrotno dugoci fali. Ze wzgldu na wielokrotne odbicia pomidzy pytkami, a zatem wielokrotn interferencj, przyrzd ten pozwala bardzo precyzyjnie wy-dzieli z wizki promieniowania o rnych dugociach fali t, ktr chcemy zmierzy.

Szko kwarcowe o wsp-czynniku zaamania

n()

Posrebrzana powierzchnia o wspczynniku odbicia

R

Promieniowanie padajce

Promieniowanie odbitewewntrz pytki

Grubo pytki interferometru d

0

0

= 2dtan()sin(0)

Przestrzenna rnica faz fali elektromagnetycznej

Rys. 25. Schemat dziaania interferometru Fabryego-Prota

z ukadem padajcych, odbijajcych si i interferujcych wizek

Interferometr Fabryego-Prota jest bardzo precyzyjnym przyrzdem do pomiaru dugoci przy pomocy wiata widzialnego uytego jako linijka. Ze wzgldu na swoje znakomite moliwoci fil-trowania fal elektromagnetycznych sta si wartociowym narzdziem w spektrometrii. Skada si on z dwch rwnolegych powierzchni odbijajcych czciowo wiato lub promieniowanie elektromag-netyczne z innego zakresu: podczerwonego lub ultrafioletowego. wiato jest odbijane i przepuszcza-ne przez pytk interferometru oraz wielokrotnie odbijane od jego wewntrznej powierzchni. Wizka padajca interferuje z wizk wewntrznie odbit, dajc efekt selektywnego przepuszczania fal elekt-romagnetycznych w bardzo wskich pasmach okienkach transmisji, co zostao pokazane schematy-cznie na Rys. 25. Stosowane s rwnie inne konstrukcje oparte zarwno na pytkach w ksztacie kli-na, jak i na zespoach pytek o trzech powierzchniach odbijajcych.


25

Zachowanie rwnolegoci powierzchni pytki jest kluczowe dla precyzyjnego dziaania interfero-metru, zarwno dla uczynienia okna transmisji tak wskim jak to jest moliwe, jak i ustawienia go w podanym zakresie widma. Wanie ta dokadno jest przedmiotem naszej specjalnej uwagi przy analizie spektrogramw Ramana.

Przestrzenna rnica faz (Rys. 25), pomidzy dwoma kolejnymi wizkami ulegajcymi wewntrz-nemu odbiciu, okrelona jest przez rwnanie wyraajce prawo interferencji Bragga dla interferometru Fabryego Prota:

(25) ( ) ( ) cos22 = dn

gdzie: - dugo fali padajcego promieniowania elektromagnetycznego, [m]; n() - wspczynnik zaamania materiau pomidzy powierzchniami odbijajcymi, zmienny

w caym zakresie widma promieniowania, [-]; d - odlego pomidzy powierzchniami odbijajcymi, z reguy grubo pytki kwarcu lub

szka kwarcowego, ktrej powierzchnie s posrebrzane, [m]; - kt pomidzy normaln do powierzchni odbijajcej i kierunkiem padajcego promie-

niowania, [rad]. Nieskoczone sumowanie odbi daje wspczynnik przepuszczania interferometru TE w funkcji je-

go parametrw konstrukcyjnych, dugoci fali promieniowania i kta padania promieniowania, [-]:

(26) ( )

( )

+

=+

=

2sin1

1cos1

12

2

2

FRRRTE

gdzie: R - wspczynnik odbicia, zakadany taki sam dla obydwu powierzchni, [-]; F - wspczynnik doskonaoci interferometru Fabryego-Prota, [-]:

(27) ( )21

4RRF

=

.

Wspczynnik maksymalnego odbicia pytki interferometru, pomidzy oknami przepuszczania okre-lony jest wyraeniem, [-]:

(28) ( )2max 1

4RRR

=

Odlego pomidzy ssiednimi okienkami przepuszczania, czyli pikami charakterystyki interfero-metru (Rys. 26), tak zwana FSR Free Spectral Range, ktra okrela zakres jednoznacznych pomia-rw, okrelona jest wyraeniem:

(29) ( ) ( )

cos2 00

20

+==

dnFSR

gdzie: 0 - dugo fali, z ktrym skojarzona jest FSR podczas ustawiania jej do przepuszczania konkretnego zakresu widma, [m] lub [nm];

- reszta zmiennych jak w poprzednich rwnaniach. Okrelenie ksztatu piku (okna przepuszczania) interferometru Fabryego-Prota musi by dokona-

ne przy ustalonym kcie , czyli dla ustalonej dugoci fali 0 w rodku piku, co jest zwizane z jego liczb falow k0 = 2 /0 i z biec zmienn falow 0kkk S = zalenoci:

(30) ( ) ( ) ( ) FSS ckkdnkk == 00 cos2

gdzie: cF wspczynnik stay w ssiedztwie piku, [m] lub [nm]:

(31) ( ) ( )00 cos = dncF .


26

838

959

1080

1201

1322

1444

1566

1688

1810

1933

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

505.

0

505.

5

506.

0

506.

5

507.

0

507.

5

508.

0

508.

5

509.

0

509.

5

510

Autoreferat dr inż. Marcina Gołąbczaka

Documents

Transcript of Autoreferat dr inż. Marcina Gołąbczaka