Projekti / Programi
Tehnologije metastabilnih materialov s kovinsko osnovo
01. januar 2013
- 31. december 2016
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| 2.10.02 |
Tehnika |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Izdelovalna tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Raziskovalci (18)
Organizacije (1)
Povzetek
Osrednja tema programa z naslovom "Tehnologije metastabilnih materialov s kovinsko osnovo" so novi materiali na osnovi termodinamsko metastabilnih stanj. Za njihov razvoj je zanimivo predvsem dejstvo, da material v termodinamsko metastabilnem stanju nima enakih mehanskih, fizikalnih in kemijskih lastnosti kot v stabilnem stanju. Hitro strjeni materiali, kvazikristali in nanostrukturni materiali so primeri termodinamsko metastabilnih stanj, ki jih bomo obravnavali v okviru raziskovalnega programa. Razvoj teh materialov je ozko povezan z raziskovanjem na področjih tehnologij izdelave, mikrostrukturne karakterizacije, ugotavljanja stabilnosti metastabilnih faz in sistemov v različnih okoljih, ter študij vplivov staranja na mehanske, fizikalne, kemijske in funkcionalne lastnosti.
Tehnologije, ki jih bomo za izdelavo termodinamsko metastabilnih materialov uporabili in razvijali v okviru programa so različni postopki hitrega strjevanja in litja, različne tehnologije preoblikovanja vključno s tehnologijo ekstremne plastične deformacije, postopki toplotne in termomehanske obdelave in metoda izdelave nanodelcev z ultrazvočnim razprševanjem. Spoznanja in vedenja o vplivu hitrega strjevanja na tvorbo metastabilnih stanj bo programska skupina prenesla tudi na področje razvoja tehnologij varjenja visokotrdnostnih kovinskih materialov za posebne aplikacije.
Materiali, ki jih bomo z omenjenimi tehnologijami raziskovali spadajo v skupino biomedicinskih funkcionalnih nanostrukturnih materialov, oziroma v skupino visokotrdnostnih termodinamsko metastabilnih materialov. Prvi so specifični ne zaradi svojih lastnosti ampak zaradi njihovega odziva na spremembe v okolju, drugi pa se odlikujejo z mehanskimi lastnostmi oziroma specifično kombinacijo lastnosti. Na področju biomedicinskih funkcionalnih nanostrukturnih materialov bodo raziskave usmerjene na področje nanodelcev zlata in spominskih zlitin na osnovi zlata in titana. Funkcionalnost Au nanodelcev, je v dejstvu, da lahko sprožijo specifične celične reakcije oziroma kažejo sposobnost vezanja z biomolekulami, ki imajo afiniteto do različnih bakterij. Funkcionalnost spominskih nanostrukturnih komponent pa se kaže v psevdoplastičnosti, supereleastičnosti, ter enosmernem in dvosmernem oblikovnem spominu. Na področju visokotrdnostnih termodinamsko metastabilnih materialov bodo imele pomembno vlogo aluminijeve kvazikristalne zlitine, ki smo jih razvili že v okviru dosedanjega raziskovalnega programa. Nadaljnjo raziskovalno delo bo usmerjeno v razvoj tehnologij, ki bodo omogočile prenos teh materialov v prakso.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave izdelave in karakterizacije materialov v metastabilnih stanjih so velikega pomena za področje tehničnih pa tudi naravoslovnih znanosti. Vrednost izvedenega programa v obdobju 2013 do 2016 je predvsem v odkrivanju in pojasnjevanju mehanizmov pri tvorbi nano delcev in nanostrukturnih materialov z opredeljeno aplikacijo v medicini in s poudarkom na novih ugotovitvah o medsebojni soodvisnosti posameznih vplivnih parametrov (kemijska sestava, čistost, legirni elementi za udrobnitev zrn, parametri hitrega strjevanja, mikrostruktura, toplotna in mehanska obdelava, trening, parametri utrujanja, mehanske in funkcionalne lastnosti). Raziskovalno delo, ki je bilo realiziranov okviru programa, vsebuje veliko izvirnih eksperimentalnih rezultatov ter znanstvenih prispevkov, saj so bila dosedanja znanja s področja tehnologije nanodelcev zlata in njihove biokompatibilnosti zelo omejena. Raziskave na področjih sinteze nanostrukturnih delcev, karakterizacije njihove mikrostrukture in študij lastnosti nanostrukturnih metastabilnih materialov so interdisciplinarne, pomembne za različna področja znanosti. Programska skupina je z rezultati raziskovalnega dela v okviru tega programa dala odgovore na nekatera odprta znanstvena vprašanja in pojasnila predvsem mehanizme določenih procesov in pojavov pri izdelavi nanostrukturnih Au delcev. Rezultati programa kažejo pot k razvoju novih tehnologij in materialov. Na področju razvoja funkcionalnih nanostrukturnih materialov so bistvena spoznanja o uporabnosti metode ultrazvočnega razprševanja za izdelavo in sintezo nanodelcev za biomedicinske aplikacije, ter pojasnitev vpliva zmanjšanja mikrostrukturnih elementov in velikosti izdelka z mikro na nano področje na funkcionalne lastnosti. Za znanost so pomembna tudi nova spoznanja o vplivu defektov v kristalni strukturi metastabilnih materialov na potek kemijskih reakcij in faznih transformacij v trdnem. Potrjujejo se rezultati predhodnih raziskav, ki so pokazali, da potečejo v metastabilnih mikrostrukturah čistih kovin s povečano koncentracijo mrežnih defektov kemijske reakcije, ki jih v termodinamsko ravnotežnih mikrostrukturah ni pričakovati. Na področju razvoja kvazikristalnih metastabilnih materialov so za razvoj znanosti bistvena spoznanja o interakciji dislokacij s kvazikristalnimi delci, razumevanje obnašanja kvazikristalov med plastično deformacijo in postavitev modelov utrjanja zlitine s kombinacijo koherentnih in nekoherentnih kristalnih delcev ter kvazikristalnih delcev v kovinski osnovi. Razlage mehanizmov transformacije in izločanja faz v zlitinah, ki v začetnem stanju vsebujejo metastabilne kvazikristale omogočajo nadaljni razvoj teh zlitin.
Pomen za razvoj Slovenije
V okviru programa naše programske skupine smo za izdelavo metastabilnih nanostrukturnih materialov uporabljali in razvijali različne postopke hitrega strjevanja in litja, različne tehnologije preoblikovanja vključno s tehnologijo ekstremne plastične deformacije, postopke toplotne in termomehanske obdelave in metodo izdelave nanodelcev z ultrazvočnim razprševanjem. Razvoj novih tehnologij oziroma inovativna kombinacija obstoječih, že znanih postopkov za izdelavo metastabilnih nanostrukturnih materialov je bila ena od osrednjih in originalnih raziskovalnih aktivnosti naše programske skupine in predstavlja velik potencial za tehnološki razvoj Slovenije. Tak primer predstavlja Injekcijsko brizganje. Postopek spada v skupino okolju prijaznih tehnologij, saj v veliki meri odpade naknadna obdelava izdelkov, ob pravilnem projektiranju orodij pa je izmet materiala minimalen oz. ga sploh ni. Izdelke po injekcijskem brizganju je možno tudi ponovno reciklirati. V Slovenskem gospodarskem okolju bi bilo mogoče tehnologijo injekcijskega brizganja biomedicinskih spominskih zlitin relativno hitro vpeljati, saj je mogoče le-te brizgati na klasičnih strojih za brizganje plastičnih materialov z ustreznimi modifikacijami na brizgalnih enotah. Cena Au delcev nano-velikosti je v primerjavi z mikro delci zlata, vsaj petkrat višja. Še večja razlika pa se pojavlja pri nanostrukturnih materialih, napram tistim, ki so izdelani s tradicionalnimi postopki. Rezultati programske skupine predstavljajo zato priložnost za nove naložbe v sodelovanju s slovenskimi industrijskimi partnerji. V Sloveniji je veliko uspešnih podjetij, ki se ukvarjajo s proizvodnjo in predelavo aluminija in žlahtnih kovin. Ta podjetja obvladujejo tehnologijo uveljavljenih zlitin, vendar mnoga dosegajo sorazmerno majhno dodano vrednost. Če bodo hotela ostati konkurenčna tudi v bodočnosti, se bodo morala usposobiti tudi za izdelavo tehnološko zahtevnejših materialov in izdelkov. Rezultati raziskovalnega programa dajejo nekaj od tistih temeljnih znanj, ki so potrebna za visokotehnološki preboj na področju industrije kovinskih materialov. S poglabljanjem teoretičnega znanja o materialih in tehnologijah ter razvojem in obvladovanjem sodobnih tehnologij materialov, se dopolnjujejo in širijo temelji ter ustvarja podpora za nadalnji razvoj slovenske kovinske industrije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
