Superfici ed interfacce nella scienza e nella tecnologia dei materiali

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1 Scienza e Tecnologia dei Materiali nell ENE: dalla teoria ai prototipi Superfici ed interfacce nella scienza e nella tecnologia dei materiali Rossella Giorgi UTS Materiali e Nuove Tecnologie Sezione tecnologie e processi di trattamento e rivestimento dei materiali I giovedì della cultura scientifica 6 novembre 2003

2 La superficie è luogo di discontinuità delle proprietà strutturali di bulk Superficie non rilassata Superficie rilassata

3 La superficie è luogo di discontinuità delle proprietà strutturali di bulk Superficie Si(100)-(1x1) non ricostruita Superficie Si(100)-(2x1) ricostruita

4 La superficie è luogo di discontinuità delle proprietà funzionali di bulk Il diamante idrogenato mostra conducibilità di superfice Superficie{111} di diamante con i dangling bonds o radicali terminati da atomi di idrogeno,c{111}/(1x1)h. Grafitizzazione della superficie che influisce sulle proprietà tribologiche Superficie {111} di diamante pulita con ricostruzionec{111}/(2x1). I radicali sono eliminati in favore di catene of atomi di carbonio ibridizzati sp2.

5 Catalisi Elettrochimica Fotografia Tribologia nalisi di superfici Termodinamica di superfici Colloidi Sviluppo storico della scienza delle superfici dsorbimento Emissione elettronica Carica di superficie e trasporto elettronico Solidi microporosi Scienza dei monostrati Proprietà magnetiche di superficie Proprietà meccaniche di superficie Superfici ottiche Superfici di polimeri e biopolimeri Scienza dei cluster Samorjai: Surface Chemistry and catalysis

6 Come studiamo superfici e interfacce ES FM XPS SIMS STM

7 Come modifichiamo superfici e interfacce PVD HF-CVD Plasma Etching Laser Plasma Spray Fascio Elettronico Impiantatore ionico

8 Cluster di Pt R.Giorgi, P.scarelli, S.Turtù and V, Contini pplied Surface Science, 178/1-4, p , (2001) catalst layer diffusion layer carbonpaper Intensity / a u, polarized electrode virgin electrode Pt 4f Proprietà elettroniche dimensioni attività catalitica Intensity / a. u Pt/C Pt bulk W(L) (arb. units) Binding Energy / ev Pt/C Pt/C Virgin electrode Electrode Polarized Electrode Polarised electron Pt 4f Binding Energy / ev L (nm) Fig. 7 L / nm

9 Film sottili per catalizzare superfici Superficie di Si/SiO2 catalizzata con cluster di Ni per la crescita di nanotubi di carbonio. Nanotubi di carbonio sintetizzati mediante HFCVD sulla superficie catalizzata Th.Dikonimos Makris1, R.Giorgi1, N.Lisi1, L.Pilloni1, E.Salernitano*1, F.Sarto1, M.lvisi2,Diamond and Related Materials in press

10 Rivestimenti duri: superreticoli e coating nanocompositi (Progetto PROTEM) Superreticoli ffinamento dei grani Deformazione coerente dei reticoli (tensioni residue) Inibizione del moto delle dislocazioni per formazione di barriere energetiche all interfaccia dei singoli strati Interruzione dei percorsi preferenziali di attacco per la presenza di interfacce B B B Λ { B Durezza molto elevata B B Notevole resistenza ad usura B Eccellente resistenza alla corrosione B B substrato Materiali in studio: TiCN/TiN, CrN/NbN, TilN/TiN, 1<Λ<5 nm

11 Superreticoli W/Ni Deposizione per Magnetron Sputtering - Potenza (watt) Rotaz.sub. Hz Λ nm Coeff ttrito Lc N # ,03 9,25 0,23 2,5 i# ,04 5,25 0,10 8 # ,05 2,25 0,11 5

12 Riflettività a basso angolo su superreticoli Ni\W X-ray reflectivity (a.u.) 10 6 NiW θ angle (degrees) X-ray Reflectivity (a.u.) 10 7 NiW θ angle (degrees) X-ray Reflectivity (a.u.) 10 7 NiW θ angle (degrees).rizzo,.tagliente articolo in preparazione Presenza di picchi satelliti Spaziatura angolare Pendenza della curva Indice della periodicità Misura della periodicità Rugosità all interfaccia

13 Materiale Composito a Matrice Polimerica rinforzato con fibre di carbonio rivestite in diamante (progetto PROMOMT) Motivazione: Impartire alle fibre di carbonio commerciali un elevato modulo elastico. ( Modulo di Young da 200 GPa a > 900 GPa) Ottenere un materiale leggero ad alta rigidità specifica (E /peso specifico), con caratteristiche a rottura tipiche di un materiale composito a matrice polimerica rinforzato con fibre di carbonio, con tenacità modulabile. Diamante Fibra di carbonio Matrice polimerica Interfaccia matrice/diamante Interfaccia fibra/diamante

14 Problematica: In presenza di idrogeno atomico la superficie delle fibre subisce un processo di etching, che è in competizione con la formazione di nuclei di diamante. Interfaccia Fibra di Carbonio- Diamante Possibili soluzioni: Favorire la nucleazione del diamante mediante: trattamenti della fibra con agenti che catalizzano la formazione dei nuclei critici rivestimenti della fibra con film sottili di materiali ( ad es.w) che proteggono la superficie, formano carburi, riducono le tensioni residue all interfaccia Th.Dikonimos Makris, R.Giorgi, N.Lisi, L.Pilloni, E.Salernitano,.Rizzo

15 Interfaccia Diamante-Polimero desione tra fibre di carbonio rivestite con diamante HF-CVD e matrici polimeriche per la realizzazione del materiale composito Funzionalizzazione complementare del polimero e della superficie del diamante per massimizzare l adesione tramite interazione acido-base Calcolo delle componenti polare ed apolare della tensione di superficie del diamante CVD (γ p, γ ap ) Misure di bagnabilità della fibra con liquidi test e con il polimero allo stato liquido r = area reale area geometrica Ricostruzione della struttura superficiale del diamante CVD, rugosità r e orientazione cristallina, dai dati ottenuti da misure di microscopia FM

16 Una strada innovativa: un interfaccia fibra di carbonio-cnt-polimero Cluster di nichel depositati per elettrodeposizione su fibre di carbonio Nanotubi di carbonio sintetizzati per HFCVD sulle fibre R.Giorgi, M.F.De Riccardis,T.Dikonimos, N.Lisi, L.Pilloni, E.Salernitano, D.Carbone, articolo in preparazione

17 Impiantazione ionica di superfici complesse Utensili per la fabbricazione di ingranaggi: il rivestimento di TiN + l impianto di C+ aumenta la vita utile di un utensile da un minimo di 4X a un massimo di 10X. grafico M.. Tagliente, R. Falcone, D. Mello, C. Esposito and L. Tapfer: Nucl. Instr. Meth. B 179 (2001)

18 Saldature con fasci di energia concentrata Laser e Fascio Elettronico Tempi brevi di interazione Raffreddamento rapido Solidificazione rapida Formazione di microstruttura fine all interfaccia zona alterata termicamente zona fusa zona alterata termicamente Saldatura con fascio elettronico ISI 316 Inconel 600 S.Tosto, F.Nenci.Hu Jiandong,G.Corniani,F.Pierdominici Material Science and Technology,pril 2003, Vol19, RME Saldatura con fascio elettronico ISI304L

19 Le applicazioni industriali: il Laboratorio laser Trisaia Prototipo supporto specchi parabolici Carrozza ferroviaria saldata laser