Molenda 2 by QCT277

VIEWS: 15 PAGES: 12

									Instrumentalna identyfikacja struktury
chemicznej warstw wierzchnich
i granicznych



                         Jarosław Molenda
     Zakład Technologii Proekologicznych

          TRIBOCHEMIA
       Warsztaty Tribologiczne
          Radom, 29-05-2008
             Mikroskopia sił atomowych
             AFM – Atomic Force Microscopy


W celu identyfikacji obecności na roboczych
powierzchniach elementów węzła produktów
powstających podczas tarcia stanowiących
warstwy ochronne można prowadzić badania
mikroskopowe przy wykorzystaniu techniki
mikroskopii sił atomowych (AFM),
umożliwiającej obserwowanie badanej
powierzchni z rozdzielczością nanometryczną.




                                                Rezultaty badań AFM (projekcja 3D) powierzchni kulki na granicy
                                               śladu tarcia po teście z udziałem kompozycji zawierającej 100 ppm
                                                eteru allilowo-n-butylowego w niskosiarkowym oleju napędowym
        Skaningowa mikroskopia elektronowa z mikroanalizą promieniowania rentgenowskiego
        SEM/EDS - Scanning Electron Microscopy / Energy Dispersion Spectroscopy


SEM, dzięki dużej rozdzielczości
przestrzennej, znajduje szerokie
zastosowanie do obrazowania morfologii
powierzchni tarcia. Natężenie obrazu różni
się w zależności od intensywności
powstawania elektronów wtórnych.
Obrazy SEM charakteryzują się szerokim
zakresem kontrastów oraz dużą głębią
ogniskowania.


Zastosowanie EDS umożliwia prowadzenie
jakościowych i ilościowych analiz rozkładu
pierwiastków, polegających na
automatycznym skanowaniu:
• określonego mikroobszaru powierzchni
  (tzw. analiza punktowa),
• wzdłuż wybranej linii,
• określonego obszaru powierzchni
  (tzw. mapping).
Analiza jakościowa polega na identyfikacji
poszczególnych pierwiastków w widmie             Skaningowy mikroskop elektronowy sprzężony z
charakterystycznego promieniowania
                                               rentgenowskim mikroanalizatorem z dyspersją enetgii
rentgenowskiego.
          Skaningowa mikroskopia elektronowa z mikroanalizą promieniowania rentgenowskiego
          SEM/EDS - Scanning Electron Microscopy / Energy Dispersion Spectroscopy


                                                                                       węgiel




                                                                                          tlen




Skan wzdłuż linii zaznaczonej na obrazie       Obraz SEM oraz mapy i widmo EDS rozkładu pierwiastków
           mikroskopowym                           w śladzie tarcia po testach z udziałem kompozycji
                                                  zawierającej 100 ppm eteru allilowo- n-butylowego
                                                         w niskosiarkowym oleju napędowym
         Optyczna spektrometria emisyjna z wyładowaniem jarzeniowym
         GDOES – Glow Discharge Optical Emission Spektrometry




GDOES jest uniwersalną techniką badania
gradientu rozkładu wszystkich pierwiastków
(łącznie z wodorem – co jest niewątpliwą jej
zaletą) w warstwach powierzchniowych
badanego materiału. Wyładowanie
jarzeniowe zachodzi w układzie dwóch
elektrod: anody (miedziana rurka) i katody
(badana próbka).
W odróżnieniu od badań SEM/EDS analizy
GDOES są analizami niszczącymi,
ponieważ z badanej próbki następuje
rozpylenie materiału na skutek wyładowania
jarzeniowego i powstaje krater o średnicy
odpowiadającej średnicy wewnętrznej
anody (nominalnie 4 mm).




                                                     Spektrometr GDOES typu Jobin Yvon Horiba 10000,
                                               z wyładowaniem jarzeniowym o częstotliwości fal radiowych (RF)
                           Optyczna spektrometria emisyjna z wyładowaniem jarzeniowym
                           GDOES – Glow Discharge Optical Emission Spektrometry




             75
                      Graphit-iC   CrC Cr              substrate
             60
Signal [V]




             45


             30
                                                                    Cr/2
                                                                    Fe 372
             15
                                                                    C*50


              0
                  0       100      200        300      400         500       600
                                            Time [s]



                         Rezultaty analiz GDOES wykonanych w głąb                  Rezultaty analiz GDOES wykonanych w głąb
                           wielowarstwowej powłoki naniesionej na                   warstwy wierzchniej (ok. 100 μm) roboczej
                                        podłoże ze stali                                        powierzchni tarcia
Mikrospektrofotometria w podczerwieni
FTIRM – Fourier Transform Infrared Microspectrophotometry


FTIRM jest stosowana do badania
przemian chemicznych środka
smarowego, zachodzących na
powierzchniach tarcia.
Zasadniczą zaletą tej metody jest
nieniszczący pomiar oraz możliwość
bezpośredniego użycia do badań
elementów węzła tarcia.
Widma mogą być rejestrowane w
zakresie od 4000 do 650 cm-1, z
minimalną rozdzielczością wynoszącą
1 cm-1




                                           Mikrospektrofotometr FTIR, prod. Perkin Elmer
                                      oraz widmo produktu triboreakcji odłożonego na roboczej
                                                    powierzchni węzła tar5cia
     Mikrospektrofotometria w podczerwieni
     FTIRM – Fourier Transform Infrared Microspectrophotometry




Analiza spektralna produktów
triboreakcji polega na rejestrowaniu
widm IR (metodą odbiciową)
z zadeklarowanego obszaru metodą
skanowania.
Rozkład powierzchniowy sumarycznej
absorbancji promieniowania IR
uzyskuje się w postaci map o
automatycznie ustawionej skali barw
lub w postaci map projekcji
powierzchniowej. Za pomocą
oprogramowania generowane są
widma IR w różnych punktach
skanowanej powierzchni.




                                       Rozkład absorbancji promieniowania IR w śladzie tarcia: mapa
                                        całkowitej absorbancji i projekcja powierzchniowa po teście
                                               tribologicznym z udziałem środka smarowego
         Rentgenowska spektroskopia fotoelektronowa
         XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy


XPS jest stosowna do określania składu
chemicznego warstw granicznych, powstających
na powierzchni tarcia, oraz ich mikrostruktury.
Za pomocą XPS można badać w sposób
niedestrukcyjny, zarówno powierzchnie ciał
stałych, jak i zaadsorbowane na nich substancje.
Fotoelektrony są emitowane z maks. głębokości
5 nm, jednak można usuwać warstwy
powierzchniowe próbki za pomocą
bombardowania jonami argonu lub innego
pierwiastka.
Za pomocą XPS można wykryć praktycznie
wszystkie pierwiastki, znajdujące się w badanej
substancji, określić stosunek udziału
poszczególnych atomów, ustalić stopień utlenienia
pierwiastka oraz określić strukturę cząsteczki na
                                                    Spektrometr fotoelektronowy, sprzężony ze spektrometrem
podstawie badania energii wiązań elektronów w
                                                       Augera wraz z wysoko próżniowym manipulatorem
atomie.
                                                                     do przygotowania próbek
Zaletą XPS jest wysoka odtwarzalność oraz              (Instytut Fizyki Ciała Stałego – Uniwersytet Śląski)
czułość powierzchniowa.
  Rentgenowska spektroskopia fotoelektronowa
  XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy

                                                                                    4
                                                                                 x 10
 C1s
                                                                           2.5
       1000



        800



    c/s 600
                                                                            2

        400



        200
                                                                           1.5
          0

              292   290   288       286    284     282   280   278   c/s
                                Binding Energy (eV)

O1s 1600                                                                    1
      1400

      1200

      1000

    c/s 800
                                                                           0.5
       600

       400

       200                                                                  0
         0

              540          535               530               525
                                                                            1400        1200   1000      800      600     400   200   0
                            Binding Energy (eV)                                                       Binding Energy (eV)


                          Widma XPS zarejestrowane na powierzchni tarcia po testach tribologicznych
                           z udziałem kompozycji zawierającej 100 ppm eteru allilowo- n-butylowego
                                           w niskosiarkowym oleju napędowym
                  Spektrometria mas jonów wtórnych
                  SIMS - Secondary Ion Mass Spectrometry


  Metoda SIMS polega na bombardowaniu
  próbki umieszczonej w komorze ultra
  wysoko-próżniowej wiązką jonową oraz
  zbieraniu i analizie przez spektrometr mas
  jonów wtórnych w czasie trawienia
  jonowego. Usuwanie kolejnych warstw
  atomowych w trakcie jednoczesnej analizy
  odsłanianej powierzchni (przy zastosowaniu
  do rozpylania wiązki jonowej o niskiej
  energii) pozwala na określenie składu
  próbki w funkcji głębokości z wysoką
  głębokościową zdolnością rozdzielczą nawet
  1 nm.



100                                                             2
                                                             391.



                                               1
                                            279.


 80
                                                                           Kwadrupolowy analizator jonów wtórny
                                                                            oraz widmo masowe jonów wtórnych
                                                                           produktów przemian tribochemicznych
 60                                                                          zachodzących przy udziale binarnej
                                                                           kompozycji 3-alliloksy-1,2-propanodiolu
                                                                                    oraz kaprolaktamu
 40




                                                                    3
                                                                 411.
                                     1
                                  235.
 20                    1
                    154.
                                        2
                                     257.                    3
                                                          369.
        1
      71.
              1
            81.      1
                  137.     183.
                              1                    329.
                                                      3                4
                                                                    425.
Dziękuję za uwagę

								
To top