Nanogestructureerde zirkonia coatings
WN 01/47 *28 juni 2001
promotie dr. F.C.M. Woudenberg, faculteit Chemische Technologie,
Nanostructured oxide coatings via emulsion precipitation
De vraag naar nanogestructureerde keramische materialen is enorm
toegenomen, omdat dit soort keramiek, door de verhouding
oppervlak-volume, unieke fysische en chemische eigenschappen heeft die
niet waargenomen worden voor bulkmateriaal. De korrelgrootte heeft
bovendien een aanzienlijke invloed op de sinter(verdichtings)kinetiek.
Een verkleining van de korrelgrootte van micrometers tot nanometers
kan een toename van 9 ordes van grootte tot gevolg hebben.
Voor industriële toepassingen zijn oppervlaktelagen in de vorm van
coatings of beschermlagen van belang als bescherming tegen extreme
omstandigheden. Medisch-technische apparaten, voorzien van een
nanokeramische coating, zouden bijvoorbeeld beter bestand zijn tegen
hoge zuurgraden en daarnaast zouden de micromechanische eigenschappen,
met betrekking tot slijtvastheid en wrijvingscoëfficiënten, verbeterd
kunnen worden.
In de leerstoel Anorganische Materiaalkunde werd tijdens het
promotieonderzoek van Fiona Woudenberg de voor nanodeeltjes bruikbare
bereidingstechniek gemodificeerde emulsieprecipitatie verder
ontwikkeld, zodat het nu mogelijk is niet-geagglomereerde ZrO2, Fe2O3,
BaTiO3 en Al2O3 precursordeeltjes te maken. Er wordt gebruik gemaakt
van thermisch stabiele water-in-olie-emulsies met een druppelgrootte
tussen de 300- 600 nm. Deze kleine waterdruppeltjes fungeren als het
ware als nanoreactoren, waarin kleine keramische precursor deeltjes
met een gemiddelde deeltjesgrootte van slechts 5 nm geprecipiteerd
kunnen worden. Na de totale procesgang worden
stabiele-nanodeeltjesdispersies verkregen in olie.
De deeltjes werden in dunne lagen aangebracht op de gladde
oppervlakken vanstandaard silicium plakken waarop een dunne laag
siliciumoxide (SiO2) aanwezig is. Het voordeel van deze vlakke
oppervlakken is dat spin-coating kan worden toegepast. Hierbij wordt
de dispersie snel en zeer gelijkmatig over het oppervlak verspreid
door gebruik te maken van de middelpuntvliedende kracht. Voor gekromde
oppervlakken kan dip-coating worden toegepast.
Figuur 1: Transmissie electronen microscopie cross-sectie opname van
een nanogestructureerde zirkoniacoating, gesinterd bij 600°C.
Eén van de belangrijkste consequenties dat de deeltjes zo klein zijn, is dat de sintertemperatuur ver beneden de 1000°C ligt. Met de ontwikkelde methode kunnen dichte nanogestructureerde zirkonia coatings gemaakt worden bij slechts 500-600°C (Figuur 1). Productiekosten kunnen dus aanzienlijk verlaagd worden en ook kunnen de beschermende deklagen op tal van materialen afgezet worden, zoals op staal. Zirkoniacoatings vormen een goed praktijkvoorbeeld. Ze zijn bestand tegen zeer snel oplopende hoge temperaturen (thermoshock) en het materiaal heeft in verhouding een hoge uitzettingscoëfficiënt,wat een verminderde kans geeft op scheur- en breukvorming.
promotor prof.dr.ir. H. Verweij
co-promotor mw.dr. W.F.C. Sager
contactpersoon drs. B. Meijering, telefoon (053) 489 4385
e-mail b.meijering@cent.utwente.nl