Numerical analysis of thermal stresses in carbon films obtained by the RF PECVD method on the surface of a cannulated screw

• Autorzy: Sawicki J. , Dudek M. , Kaczmarek Ł. , Więcek B. , Świątczak T. , Olbrycht R.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna naprężeń cieplnych w warstwie węglowej otrzymanej w procesie RF PECVD na powierzchni wkręta kostnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

For many years, research on carbon films has been stimulated by the need to simultaneously optimize their biological and mechanical properties and by the challenges related to their deposition on medical implants. The residual mechanical stress occurring inside deposited films is the most important mechanical parameter which leads to the total destruction of these films by cracking and peeling. In the present work, we systematically studied the effect of ion bombardment during the process of radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (RF PECVD) by monitoring the temperature distribution on a cannulated screw using the infrared technique. The obtained experimental and finite element modeling (FEM) results show that stresses in carbon films deposited on a cannulated screw are quite inhomogeneous and depend on the geometry of the sample and the relative position of the studied contact area between the substrate/film interface and the surface of the film.

PL

Od wielu lat prowadzone są badania mające na celu zredukowanie naprężeń, w węglowych warstwach stosowanych na implanty medyczne, bez pogorszenia własności mechanicznych i biologicznych. Niemniej jednak poznanie mechanizmów wywołujących naprężenia wymaga szczegółowej analizy numerycznej. Wysoka wartość naprężeń mechanicznych występujących w osadzanych warstwach prowadzi poprzez pękanie i odwarstwienie do ich całkowitego zniszczenia, co znacząco organiczna praktyczne wykorzystanie warstw węglowych. W prezentowanej pracy, przeanalizowano wpływ bombardowania jonów podczas procesu plazmochemicznego (RF PECVD) na rozkład temperatury na powierzchni śruby ortopedycznej przy użyciu kamery termowizyjnej. Przeprowadzone eksperymenty i uzyskane rezultaty modelowania (MES) pokazały, ze naprężenia w warstwach węglowych osadzonych na śrubie ortopedycznej sa niejednorodne i zależą od rzeczywistej powierzchni styku pomiędzy podłożem a powłoka jak i geometrii samej próbki.

Słowa kluczowe

EN

RF PECVD; thermography; carbon films; residual stresses; finite element modeling

PL

RF PECVD; termografia; warstwy węglowe; naprężenie; modelowanie elementów skończonych

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, iss. 1
• Strony: 77--81
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sawicki J.

autor

Dudek M.

autor

Kaczmarek Ł.

autor

Więcek B.

autor

Świątczak T.

autor

Olbrycht R.

• Institute of Material Science and Engineering, Technical University of Łódz, 90-924 Łódz, 1/15 Stefanowskiego Str., Poland

Bibliografia

• [1] A. Dudek, Archives of Metallurgy and Materials 56, 135-140 (2011).
• [2] B. Zboromirska-Wnukiewicz, J. Wnukiewicz, K. Kogut, K. Kasprzyk, W. Wnukiewicz, Archives of Metallurgy and Materials 54, 1005-1011 (2009).
• [3] M. Rozmus, J. Kusiński, M. Blicharski, J. Marczak, Archives of Metallurgy and Materials 54, 665-670 (2009).
• [4] E. Mitura, S. Mitura, P. Niedzielski, Z. Has, R. Wolowiec, A. Jakubowski, J. Szmidt, A. Sokolowska, P. Louda, J. Marciniak, B. Koczy, Diamond and Related Materials 3, 896-898 (1994).
• [5] S. Mitura, A. Mitura, P. Niedzielski, P. Couvrat, Chaos, Solitons and Fractals 10, 2165-2176 (1999).
• [6] J. Grabarczyk, D. Batory P. Louda, P. Couvrat, I. Kotela, K. Bakowicz-Mitura, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 20, 107-110 (2007).
• [7] Z. Paszenda, J. Tyrlik-Held, W. Jurkiewicz, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 31/2, 348-355 (2008).
• [8] K. Perzyński, Ł. Major, Ł. Madej, M. Pietrzyk, Archives of Metallurgy and Materials 56, 393-399 (2011).
• [9] A. Grill, IBM Journal of Research and Development 43, 147-161 (1999).
• [10] Y. Catherine, in Diamond and Diamondlike Films and Coatings, NATO-ASI Series B: Physics, Clausing R. E., Horton L. L., Angus J. C., and Koidl P., Eds., Plenum Publishing Co., New York, 1991, p. 193.
• [11] S. Mitura, Journal of Crystal Growth 80, 417-424 (1987).
• [12] M. A. Tamor, W. C. Vassell, K. R. Carduner, Applied Physics Letters 58, 592-594 (1991).
• [13] P. C. T. Ha, D. R. McKenzie, M. M. M. Bilek, E. D. Doyle, D. G. McCulloch, P. K. Chu, Surface and Coatings Technology 200, 6405-6408 (2006).
• [14] Z. Has, S. Mitura, M. Cłapa, J. Szmidt, Thin Solid Films 136, 161-166 (1986).
• [15] S. Mitura, Z. Has, V.I. Gorokhovsky, Surface and Coatings Technology 47, 106-112 (1991).
• [16] J. R. Woodworth, M. E. Riley, D.C. Meister, B. P. Aragon, M. S. Le, H. H. Sawin, Journal of Applied Physics 80, 1304-1311 (1996).
• [17] A. Von Keudell, W. Jacob, Journal of Applied Physics 79 (2), 1092-1098 (1996).
• [18] Y. Sun, T. Bell, Wear 253, 689-693 (2002).
• [19] M. Tsujikawaa, D. Yoshidab, N. Yamauchic, N. Uedac, T. Sonec, S. Tanakad, Surface and Coatings Technology 200, 507-511 (2005).
• [20] Y. Sun, Journal of Materials Processing Technology 168, 189-194 (2005).