Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Application of ion bombardment to modify tribological properties of elastomers

Bieliński D. M., Ostaszewska U., Jagielski J.

Polimery

|

2014

|

T. 59, nr 5

416--422

EN

In the paper effects of surface modification of various elastomers upon irradiation with H+, He+, F+ or Ar+ ions are presented. Changes to chemical composition and physical structure of rubber macromolecules are discussed in terms of influence of the treatment on modification of surface layer of the elastomers. Hydrogen release induced graphitization together with post-treatment oxidation of rubber macromolecules increase surface wettability of the materials, facilitating lowering of „wet” friction. Free radicals being created due to interactions between energetic ions and macromolecules produce additional crosslinking, which manifests itself by increased hardness of the elastomers. Modification of mechanical properties of the surface layer changes mechanism of elastomer friction from the bulk to the surface one, what results in significant reduction of friction. Despite crosslinking induced shrinkage of the surface layer, which results in its micro-cracking, ion beam treated elastomers showed to be wear resistant due to the lack of delamination under stress. Interesting results were obtained for heavy Ar+ ions surface etched butadiene-acrylonitrile rubber/multiwalled carbon nanotube (NBR/MWCNT) composites. Nanotube agglomerates created from rubber substrate resulted in „island” morphology, significantly reducing friction of the material.

PL

W artykule przedstawiono wpływ modyfikacji powierzchni różnego rodzaju elastomerów za pomocą wysokoenergetycznej wiązki jonów: H+, He+, F+ lub Ar+ na ich morfologię, charakterystykę mechaniczną i energię powierzchniową oraz właściwości tribologiczne. Dobór jonów był podyktowany chęcią sprawdzenia, jak na efekty modyfikacji wpływa ich masa i reaktywność chemiczna. Porównano także właściwości zmodyfikowanej w następstwie bombardowania jonowego warstwy wierzchniej elastomerów w zależności od składu wulkanizatów (rys. 1—3). Stwierdzono, że efekty modyfikacji są widoczne również w przypadku elastomerów specjalnego przeznaczenia, odpornych na konwencjonalną, „mokrą” modyfikację chemiczną za pomocą chlorowania lub sulfonowania (rys. 4). Uwalnianie wodoru powodujące grafityzację oraz utlenianie zachodzące w wyniku kontaktu z powietrzem, sprzyjają obniżeniu współczynnika tarcia elastomerów modyfikowanych „na mokro”. Wolne rodniki, powstające w następstwie oddziaływania pomiędzy wysokoenergetycznymi jonami a makrocząsteczkami, prowadzą do wzrostu gęstości ich usieciowania, które przejawia się większą twardością warstwy wierzchniej elastomerów (rys. 1). Modyfikacja właściwości mechanicznych tej warstwy zmienia mechanizm tarcia elastomerów z objętościowego na powierzchniowy (rys. 5), czego skutkiem jest znaczące obniżenie oporów tarcia. Pomimo skurczu (wywołanego sieciowaniem) materiału, który doprowadził do pojawienia się spękań na jego powierzchni (rys. 2), praktycznie nie zaobserwowano zużycia ściernego elastomerów poddanych bombardowaniu jonowemu. Tak znaczny wzrost odporności elastomerów na zużycie ścierne przypisuje się brakowi występowania delaminacji zmodyfikowanej warstwy wierzchniej poddanej działaniu naprężeń w strefie kontaktu ciernego. Interesujące wyniki uzyskano w odniesieniu do kompozytów elastomerowych zawierających wielościenne nanorurki węglowe. Ich wulkanizaty poddane działaniu wiązki ciężkich jonów Ar+, która trawi elastomerową matrycę, uzyskują „wyspową” morfologię powierzchni (rys. 6), co prowadzi do znacznego obniżenia oporów tarcia materiału (rys. 7).

2

Application of ion bombardment to modification tribological properties of rubber

Bieliński D. M., Jagielski J.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

639--642

EN

The paper presents effects of surface modification of various elastomers upon bombardment with beams of H+, He+, F+ or Ar+ ions. Changes to composition and structure of rubber macromolecules, subjected to ion beam treatment, are discussed from the point of view of its influence on the modification of surface layer of the elastomers studied. Hydrogen release induced graphitization together with post treatment oxidation of rubber macromolecules increase surface wettability of the materials, facilitating lowering of “wet” friction. Free radicals being created due to interactions between energetic ions and macromolecules produce additional crosslinking, which manifests itself by increased hardness of the elastomers. Modification of mechanical properties of the surface layer changes mechanism of elastomer friction from the bulk (hysteretical) to the surface (adhesional) one, what results in significant reduction of friction. Despite crosslinking induced shrinkage of the surface layer, which results in its microcracking, ion beam treated elastomers showed to be wear resistant due to the lack of delamination under stress.

PL

Artykuł przedstawia wpływ modyfikacji powierzchni różnych elastomerów za pomocą bombardowania wiązką jonów H+, He+, F+ lub Ar+. Zmiany składu i budowy makrocząsteczek spowodowane obróbką jonową zostały omówione z punktu widzenia jej wpływu na modyfikację warstwy wierzchniej badanych elastomerów. Grafityzacja spowodowana uwalnianiem się wodoru wraz z wtórnym utlenianiem makrocząsteczek kauczuku powoduje wzrost zwilżalności powierzchni materiałów, sprzyjając obniżeniu tarcia „na mokro”. Wolne rodniki powstające w następstwie oddziaływań jonów o dużej energii z makrocząsteczkami powodują wzrost usieciowania, przejawiający się we wzroście twardości elastomerów. Modyfikacja właściwości mechanicznych warstwy wierzchniej zmienia mechanizm tarcia elastomerów z objętościowego (histerezyjnego) na powierzchniowy (adhezyjny), powodując znaczące zmniejszenie oporów tarcia. Pomimo skurczu warstwy wierzchniej spowodowanego jej dosieciowaniem i prowadzącego do powstania mikropęknięć na powierzchni materiału, bombardowanie jonowe elastomerów prowadzi do wzrostu ich odporności na zużycie dzięki braku zjawiska delaminacji pod obciążeniem.

3

Wpływ bombardowania wysokoenergetyczną wiązką jonów na właściwości mechaniczne i odporność wulkanizatów kauczuku naturalnego na działanie mikroorganizmów. Cz. I. Działanie wiązki jonów He+ i Ar+

Kleczewska J., Bieliński D., Piotrowska M., Jagielski J.

Elastomery

|

2013

|

T. 17, nr 1

11-18

PL

W artykule przedstawiono wpływ bombardowania powierzchni gumy spożywczej z kauczuku naturalnego wysokoenergetyczną wiązką jonów helu lub argonu na właściwości mechaniczne, energię powierzchniową i właściwości mikrobiologiczne jej wulkanizatów. Wpływ modyfikacji na właściwości mechaniczne jest największy w przypadku wulkanizatów napełnionych sadzą, bez względu na zastosowany środek sieciujący. Niezależnie od rodzaju jonu i wielkości dawki, przejawia się on ponad dwukrotnym wzrostem wytrzymałości gumy na zerwanie. Bombardowanie jonowe wulkanizatów prowadzi we wszystkich przypadkach do ok. dwukrotnego zmniejszenia wartości ich energii powierzchniowej, powodując jednocześnie bardzo wyraźny wzrost udziału jej składowej polarnej. Badania właściwości mikrobiologicznych wykazały, że jedynie wulkanizaty sieciowane nadtlenkiem wykazują pewne działanie bakteriobójcze względem bakterii Gram+. Ogólnie, bombardowanie jonowe nie poprawia odporności gumy na działanie bakterii. Badane wulkanizaty nie wykazują również właściwości grzybostatycznych. Bombardowanie jonowe nie wpływa w sposób znaczący na ilość grzybni tworzącej się na ich powierzchni.

EN

The paper discusses the influence of high energy helium or argonium ions bombardment, applied to natural rubber vulcanizates, on their surface energy, mechanical, and microbiological properties. The influence of the modification is the highest for carbon black filled vulcanizates, no matter the applied crosslinking system. Independently on the kind and dose of ions it manifests itself by more than twice increase of the tensile strength of rubber. In all the cases, ion bombardment results in about twice reduction to the surface energy of the vulcanizates studied, leading simultaneously to significant increase of its polar component content. Only peroxide crosslinked vulcanizates demonstrate some antibacterial activity towards Gram+ species. In general, ion bombardment does not improve bacterial resistance of the vulcanizates. They do not present fungistatic properties. Ion bombardment does not influence significantly the amount of fungi being created on surface of the vulcanizates.

4

Modyfikacja polimerów za pomocą bombardowania jonowego. Cz. II. Modyfikacja funkcjonalnych właściwości gumy

Ostaszewska U., Pieczyńska D., Bieliński D. M., Jagielski J.

Polimery

|

2012

|

T. 57, nr 2

124-134

PL

Powierzchnię gumy z kauczuków: naturalnego (NR), butadienowo-styrenowego (SBR), butadienowo-akrylonitrylowego (NBR) lub mieszanin NBR z kauczukiem chloroprenowym (NBR/CR) poddano działaniu wysokoenergetycznej wiązki jonów: He+, O+, Ar+ lub F+. Na podstawie zmiany składu chemicznego i struktury fizycznej makrocząsteczek kauczuku w warstwie wierzchniej oraz charakterystyki geometrycznej materiałów bombardowanych jonowo oceniano wpływ takiej metody modyfikacji na właściwości funkcjonalne badanych wulkanizatów. Oddziaływania wysokoenergetycznej wiązki jonów z makrocząsteczkami polimeru mają charakter bądź elastyczny (w ich wyniku następuje jonizacja i uwalnianie wodoru), bądź nieelastyczny (w efekcie których dochodzi do degradacji polimeru). Grafityzacja i większy stopień usieciowania warstwy wierzchniej wpływają na wzrost twardości gumy poddanej bombardowaniu jonowemu. Skurcz towarzyszący dosieciowaniu materiału skutkuje pojawiającą się na powierzchni wulkanizatów siatką mikropęknięć. Utlenianie oraz wzrost chropowatości zmienia zwilżalność powierzchni gumy oraz tarcie, a polaryzacja i rozwinięcie powierzchni zwiększają adhezję i bakteriostatyczność modyfikowanych wulkanizatów. Poddana bombardowaniu jonowemu warstwa wierzchnia gumy może stanowić barierę ochronną, zabezpieczającą wnętrze materiału przed działaniem różnego rodzaju czynników chemicznych lub biologicznych. W wyniku modyfikacji guma jest odporniejsza na starzenie (termiczne i ozonowe), stabilniejsza termicznie, korzystnie ogranicza się jej palność (tabela 5), zwiększa odporność na działanie paliwa a także bakterii.

EN

The surface of rubbers: natural (NR), styrene-butadiene (SBR) and acrylonitrile-butadiene (NBR) or its mixes with chloroprene rubber (NBR/CR) were subjected to high-energy He+, O+, Ar+ or F+ ion beam treatment. Based on the changes in the chemical composition and physical structure of rubber macromolecules in the surface layer and on the surface geometry of ion-irradiated materials, the effect of this modification on the functional properties of the vulcanizates was evaluated. Interactions between high energy ion beam and macromolecules are of elastic character (resulting in an ionization with release of hydrogen — Fig. 1), or inelastic, leading to the degradation of polymer. Graphitization, together with an increased degree of crosslinking of the surface layer, result in an increase in the microhardness of the rubber subjected to ion bombardment (Fig. 2). The shrinkage associated with higher crosslinking of the material causes the formation of a microcrack network on the vulcanizate surface (Fig. 3). The oxidation (Table 2) and the increased surface roughness, change the wettability of rubber surface (Fig. 7) and the friction (Fig. 4), while the polarization and surface development increase the adhesion (Table 3) and bacteriostaticity (Table 6) of the modified vulcanizates. The rubber surface layer subjected to ion bombardment can play a role of a protective barrier, which prevents the inside of material from the action of various chemical or biological factors. As a result of the modification, the rubber becomes more resistant to ageing (both thermal and ozone — Fig. 9), exhibits improved thermal stability (Table 4) and reduced flammability (Table 5) as well as the increased resistance to fuel (Fig. 10) and bacteria.

5

Modyfikacja polimerów za pomocą bombardowania jonowego. Cz. I. Historia, aktualny stan wiedzy i perspektywy rozwoju

Pieczyńska D., Ostaszewska U., Bieliński D. M., Jagielski J.

Polimery

|

2011

|

T. 56, nr 6

439-451

PL

Artykuł stanowi przegląd literaturowy dotyczący bombardowania wysokoenergetyczną wiązką jonów (rys. 2) powierzchni materiałów polimerowych w celu jej modyfikacji. Udokumentowano wzrost zainteresowania na przestrzeni ostatnich lat tą technologią w odniesieniu do polimerów, a także metali i ceramiki (rys. 1). Przedstawiono schematycznie budowę implantatora (rys. 5) oraz opisano zasadę jego działania. Omówiono mechanizm oddziaływania rozpędzonego jonu z polimerem, uwzględniający specyfikę makrocząsteczkowej budowy materiału (rys. 3, 4, 6). Omówiono modyfikację warstwy wierzchniej polimerów za pomocą bombardowania jonowego, zwracając szczególną uwagę na zachodzące w jej wyniku zmiany w budowie chemicznej, sieciowaniu i degradacji makrocząsteczek (rys. 7, 9, 10). Zinterpretowano dane doświadczalne dotyczące wpływu obróbki wysokoenergetyczną wiązką jonów na wybrane właściwości inżynierskie: mechaniczne, tribologiczne, zwilżalność i adhezję (rys. 8, 12-17) oraz funkcjonalne polimerów takie jak: bakteriobójczość, grzybobójczość i trombozgodność (rys. 18-20). Kontynuację artykułu stanowi cz. II pracy, w której zostaną przedstawione wyniki własnych badań wpływu bombardowania jonowego na właściwości użytkowe gumy.

EN

This paper constitutes a review of the literature focusing on the high-energy ion beam bombardment (Fig. 2) for the modification of the surface layers of polymeric materials. An increase in interest in the application of this technique for the modification of polymers as well as metals and ceramics has been observed in recent years (Fig. 1). A schematic representation of the ion implanter (Fig. 5) and a detailed description of its principles of operation was presented. The mechanism of the interaction taking place between the accelerated ion and the polymer surface, taking into consideration the specific macromolecular structure of the material (Figs. 3, 4 and 6) was discussed. The modification process of the surface layer of the polymer as a result of ion bombardment was discussed with special attention on the changes in the chemical structure, crosslinking, and the degradation of the macromolecules (Figs. 7, 9, 10). The data presented in the literature from studies on the influence of high-energy ion beams on selected physical properties such as mechanical, tribological, wetness and adhesion (Figs. 8, 12-17), and also on characteristic properties of functional polymers such as antimicrobial, antifungal and thrombocompatibility (Figs. 18-20) have been evaluated. A continuation of this topic based on original data will focus on the influence of ion beam bombardment on the properties of rubber will be presented in Part II.

6

Monte Carlo simulations for HET ceramics sputtering yield prediction

Tondu T., Inguimbert V., Roussel J. F., D'escrivan S.

Journal of Technical Physics

|

2008

|

Vol. 49, no 3-4

363-373

EN

The Monte Carlo simulation code for ion sputtering CSiPI was developed for electric propulsion-induced erosion applications. In this paper we present how ceramics erosion can be treated. Indeed, these materials strongly differ from metals for which MC simulations are validated. We show that the target has to be resolved in time and space in order to deal with the target stoechiometry evolutions under ion bombardment. This is treated by the CSiPI2007 version of CSiPI. Then we propose a description for the characteristic binding energies that are opposed to some classical description. Indeed, we consider for ceramics a negligible surface binding energy compared to the bulk binding energy. This description is argued and a methodology is proposed for energies determination from the material atomization energy. This allows to perform the predictive sputtering yield Calculations. The code CSiPI and the proposed protocol for input data determination is validated by comparing simulations with experiments for BN, SiO2 and MgO. A good correlation is observed for normal ion bombardment by Xe+ ions in the 350-1000 eV range. For grazing incidence, experimental measurements depend strongly on the target roughness, then results are not directly comparable. At last, we present an estimation of erosion yields of the composite ceramics BN-SiO2 used in HETs.

7

Modification of polyethylene by high energy ion or electron beam - structural, micromechanical and conductivity studies of the surface layer

Bieliński D. M., Ślusarczyk C., Jagielski J., Lipiński P.

Polimery

|

2007

|

T. 52, nr 5

329-335

EN

Commercial grade polyethylenes: high density (PE-HD) and ultra-high molecular weight one (PE-UHMW) were subjected to the surface modification by electron beam irradiation (0.6-1.5MeV/50-500kGy) and ion beam bombardment (He+ 160keV/2ź1013-5ź1016 ions/cm2; Ar+ 130keV/1ź1013-2ź1016 ions/cm2). Effects of modifications were studied by spherical nanoindentation and scratch hardness tests. Contrary to electron beam irradiation, the ion beam bombardment, especially of He+ ions, can significantly increase (up to 3 times) hardness of the surface layer of polyethylene in comparison to the bulk. According to Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD) it is associated with an increased degree of crystallinity due to the surface modification. Nuclear Reaction Analysis (NRA) reveals a hydrogen release due to ion bombardment which saturates at the CH atomic composition. It cannot however be associated with cross-polymerization or crosslinking of macromolecules because of some unsaturations being present and a graphite formation. Partially graphitized and/or better organized modified macromolecular chains "rooted" in the polymer substrate explain low friction and wear resistance of ion bombarded polyethylenes. Even high stress crackings are not able to proceed with further delamination of the modified surface layer. Treatment of the material with heavy Ar+ ions of energy 150-300keV was combined with an electrical doping by implantation of polyethylene with I+ ions of energy 150keV. Apart an increase in hardness, the modification results additionally in a significant reduction of the surface resistivity (more than 20 times), facilitating a removal of static charge.

PL

Próbki handlowych polietylenów: o dużej gęstości (PE-HD) oraz o bardzo wysokim ciężarze cząsteczkowym (PE-UHMW) poddano modyfikacji powierzchniowej metodą naświetlania wiązką elektronów lub bombardowania wiązką jonów (He+ lub Ar+). Efekt modyfikacji materiału uzyskany za pomocą nanoindentacji kulistej oceniano na podstawie odporności powierzchni na zarysowanie. W odróżnieniu od efektów naświetlania wiązką elektronów, bombardowanie jonowe, zwłaszcza jonami He+, może znacznie zwiększyć twardość (nawet do 3 razy) warstwy wierzchniej polietylenu w porównaniu z wnętrzem materiału. Wyniki uzyskane metodą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego padającego pod małymi kątami (GIXRD) sugerują, że jest to konsekwencją wzrostu stopnia krystaliczności warstwy wierzchniej polimeru w wyniku modyfikacji. Analiza warstwy wierzchniej metodą reakcji jądrowej (NRA) ujawnia uwalnianie wodoru wywołane bombardowaniem jonowym, które zatrzymuje się na poziomie składu atomowego CH (rys. 4 i 5). Jednakże tego wyniku nie należy traktować jako potwierdzenia polimeryzacji krzyżowej (cross-polymerization) lub sieciowania makrocząsteczek polimeru, ponieważ w jego warstwie wierzchniej stwierdzono obecność zarówno wiązań podwójnych jak i grafitu. Obecność częściowo zgrafityzowanych i/lub lepiej zorganizowanych zmodyfikowanych łańcuchów makrocząsteczek, „zakorzenionych” w podłożu polimerowym, wyjaśnia niski współczynnik tarcia i znakomitą odporność na ścieranie bombardowanych jonami polietylenów. Nawet duże obciążenia, powodujące pękanie twardej warstwy wierzchniej, nie są w stanie doprowadzić do jej delaminacji. Modyfikowanie materiału za pomocą ciężkich jonów Ar+ o energii 150-300keV połączono z elektrycznym domieszkowaniem polietylenu dokonując implantacji warstwy wierzchniej polimeru jonami I+ o energii 150keV. W wyniku modyfikacji oprócz wzrostu twardości, uzyskano dodatkowo znaczne obniżenie oporności powierzchniowej (nawet 20-krotne), zapobiegające gromadzeniu się ładunku elektrostatycznego.

8

Właściwości warstwy wierzchniej polietylenu modyfikowanego wiązką jonów argonu

Piątkowska A., Jagielski J., Turos A., Abdul-Kader A. T., Ślusarski L., Bieliński D., Al-Ma'adeed M., Grambole D.

Tribologia

|

2006

|

nr 2

107-122

PL

Celem pracy było zbadanie wpływu modyfikacji warstwy wierzchniej wybranych polietylenów wysokoenergetyczną wiązką jonów argonu na twardość oraz właściwości tribologiczne materiałów. W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostrukturalnych i mikromechanicznych polietylenów: PE-LD, PE-HD, PE-UHMW. Próbki były bombardowane jonami argonu z energią 160 keV i 320 keV do dawek: 10^13, 10^14, 10^15 cm^-2. Bombardowanie jonami powoduje uwalnianie wodoru z polimeru (radioliza), co w istotny sposób wpływa na budowę jego makrocząsteczek i strukturę. Rozkład zawartości wodoru w warstwie wierzchniej badanych polimerów wyznaczano metodą reakcji jądrowych. Głębokość zasięgu modyfikacji zależy od zasięgu jonów i wynosi ok. 400 nm dla energii wiązki 160 keV i ok. 800 nm przy bombardowaniu polietylenów z energią 320 keV. Pomiary mikrotribologiczne badanych materiałów zostały wykonane z użyciem tribotestera z węzłem tarcia typu "kulka-płaszczyzna". Zaobserwowano wzrost współczynnika tarcia dla małych dawek bombardowania jonowego, który przy większych dawkach ulegał obniżeniu. W ramach badań właściwości mechanicznych zmierzono twardości metodą nanoindentacji przy zastosowaniu mikroskopu AFM wyposażonego w głowicę Hysitron. Wraz ze wzrostem dawki następował wzrost twardości polietylenu. Dla małych dawek zmiany były stosunkowo nieznaczne, ale w przypadku największej dawki bombardowania powierzchni PE-UHMW zanotowano prawie 40-krotny wzrost twardości materiału. Zaobserwowane zmiany właściwości mechanicznych i tribologicznych w zależności od rodzaju polietylenu oraz dawki bombardowania Ar+ można wyjaśnić modyfikacją budowy makrocząsteczek zmianami strukturalnymi zachodzącymi wskutek bombardowania jonowego. Zmiany współczynnika tarcia przedyskutowano w oparciu o wyniki pomiarów twardości i oznaczeń mikrochropowatości śladu tarcia.

EN

The objective of the present work was to study the effects of high energy ion beam modification of surface layers of selected polyethylenes on their hardness and tribological properties. Results of microstructural and micromechanical investigations of different polyethylenes: LDPE, HDPE and UHMWPE, are presented. The samples were bombarded with Ar ions of energy 160 keV or 320 keV at three different doses of: 1x1O^13, 1x1O^14 or 1x1O^15 cm^-2. Ion bombardment result in releasing of hydrogen atoms from the surface layer of polymer (radiolysis), what significantly influences its molecular and supermolecular stucture. The depth distributions of hydrogen atoms in the surface layer of the polyethylenes studied was measured by means of nuclear reaction analysis. Thickness of the modified layer depends on the energy of ions and is equal to 400 nm or 800 nm for 160 keV and 320 keV incident ion energy, respectively. Tribological measurements were carried out using a tribotester of the „ball-on-disc" friction pair. An increase of the coefficient of friction was detected for low irradiation doses, whereas for higher doses its value was found decreasing. Hardness of the modified layers was measured with an AFM microscope equipped with a Hvsitron head, applying nanoindentaion method. An increase of hardness of polyethylene upon irradiation was noted. Forlow doses of ion bombardment the changes observed were relatively smali but e.g. for high-dose irradiated UHMWPE the final hardness is about 40 times higher than that measured for the pristine sample. Observed changes of irradiated polymers in mechanical and tribological properties are dependent on a kind of polyethylene and a dose of argon bombardment. They can be explained taking into account both molecular and supermolecular structure modifications of the material induced by the bombarding ions. Changes to the coefficient of friction of the polyethylenes were discussed on the basis of hardness data and microroughness of the friction trace.

9

Wybrane przykłady modyfikacji warstwy wierzchniej polimerów za pomocą bombardowania jonowego

Bieliński D. M., Lipiński P., Okrój W., Klimek L.

Inżynieria Materiałowa

|

2006

|

Vol. 27, nr 6

1337-1342

PL

Na podstawie analizy aplikacyjnej wybrano polimery konstrukcyjne: polietylen dużej gęstości (PE-HD), polietylen o bardzo dużej masie cząsteczkowej (PE-UHMW), izotaktyczny polipropylen (iPP), polioksymetylen (POM), poliamidy 6 i 66 (odpowiednio PA 6 i PA 66), politetrafluoroetylen (PTFE), gumę z kauczuku silikonowego (Q), chloroprenowego (CR) i butadienowo-akrylonitrylowego (NBR), termoplastyczny poliuretan (TPU), oraz wulkanizat termoplastyczny kauczuku etylenowo-propylenowo-dienowego z polipropylenem (TPV), które poddano bombardowaniu strumieniem jonów o różnej masie i aktywności chemicznej: wodór, hel, azot, tlen, argon, jod i srebro, stosując energie wiązki i dawki z szerokiego przedziału. Modyfikacja nie zmienia charakterystyki objętościowej materiałów, umożliwiając jednocześnie nadanie ich powierzchni szeregu korzystnych właściwości. Na wybranych przykładach przedstawiono możliwość wzrostu twardości i modułu mechanicznego warstwy wierzchniej, zmiany polarności powierzchni, oporności powierzchniowej oraz obniżenia tarcia polimerów. W ich następstwie uzyskano znaczącą poprawę charakterystyki eksploatacyjnej materiałów, przejawiającą się we wzroście odporności na zużycie ścierne, obniżeniu oporów ruchu i polaryzacji powierzchni, poprawie zwilżalności i adhezji, czy wzroście stabilności termicznej i chemicznej. W przypadku polietylenów szczególną uwagę zwrócono na ich zastosowanie biomedyczne, prezentując możliwości otrzymania materiałów o bakteriostatycznych i trombozgodnych powierzchniach.

EN

Engineering polymers: high density polyethylene (HDPE), ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), isotactic polypropylene (iPP), polyoxymethylene (POM), polyamides 6 and 66 (PA 6 and PA 66 respectively), polytetrafluoroethylene (PTFE), silicone (Q), chloroprene (CR) and butadiene-acrylonitryle (NBR) rubbers, thermoplastic polyurethane (TPU), as well as a thermoplastic vulcanizate of ethylenepropylene-diene rubber with polypropylene (TPV), have been selected, based on an application analysis, and subjected to ion bombardment. Ions of various masses and chemical reactivity: hydrogen, helium, nitrogen, oxygen, argon, iodine and silver have been utilized under a broad range of energy and dose. Modification does not change bulk characteristics of the materials, nevertheless some useful properties of their surface can be obtained. Possibilities of the increase of hardness and mechanical modulus of the surface layer, altering the surface polarity, or the decrease of the surface resistance and friction have been demonstrated on selected examples. As a consequence a significant improvement of the exploitation characteristics of the materials has been achieved, manifested itself by increase of wear resistance, decrease of friction, polarization of the surface, increase of wettability and adhesion, or higher thermal and chemical stability. In the case of polyethylene special attention has been paid to its biomedical applications. Possibility of obtaining materials of the surface of high bacteriostaticity and thrombocompatibility has been demonstrated.

10

Wpływ bombardowania jonowego na odporność UHMWPE na zużycie

Lipiński P., Bieliński D., Jagielski J.

Czasopismo Techniczne. Mechanika

|

2006

|

R. 103, z. 6-M

329-334

PL

Polietylen o bardzo wysokim ciężarze cząsteczkowym (UHMWPE), przeznaczony do zastosowań biomedycznych: GUR 1020 i GUR 1050 (Perplas Medical Ltd., Wlk. Brytania), poddano bombardowaniu wiązką jonów: H[2^+], He[^+], Ar[^+] lub Ag[^+], o różnych energiach i dawkach. Praca przedstawia zmiany profilu mikromechanicznego (mikroindentacja) i morfologii (AFM, SEM) warstwy wierzchniej polietylenu zachodzące w wyniku bombardowania jonowego. Mechanizm modyfikacji oraz jej efekty badano przy użyciu spektroskopii FTIR-IRS, konfokalnej mikroskopii Ramana oraz mikroanalizy jądrowej. Uzyskane wyniki wskazują, iż wskutek radiolizy następuje wzrost twardości powierzchni, najprawdopodobniej spowodowany cross-polimeryzacją polietylenu. Zasięg modyfikacji ograniczony jest do głębokości penetracji jonów, która zależy od jego masy i reaktywności chemicznej oraz dawki i energii wiązki. Bombardowaniu jonowemu towarzyszy utlenianie, które wraz z rozwinięciem powierzchni odpowiada za hydrofilizację polietylenu. W wyniku modyfikacji tarcie i zużycie UHMWPE mogą zostać zredukowane nawet ponad dwukrotnie.

EN

Medical grade UHMWPE-s: GUR 1020 and 1050 (Perplas Medical Ltd., Wlk. Brytania), were subjected to ion beam bombardment with: H[2^+], He[^+], Ar[^+] or Ag[^+], of various energy and doses. The work presents changes to micromechanical profiles (microindentation) and surface morphology (AFM, SEM) of polyethylenes due to the treatment. Mechanism of the modification and its effects were studied by FTIR-IRS, confocal Raman microscopy and "nuclear depth profiling". Studies revealed that hardness of the surface layer increases due to radiolysis, probably leading to cross-polymerization of polyethylene. The depth of modification is limited to the penetration of ions, being dependent on ion mass and its chemical reactivity, applied dose and beam energy. The treatment is accompanied by oxidation, which together with a development of surface geometry is responsible for hydrofilization of polyethylene. Due to modification friction and wear of UHMWPE can be reduced even more than two times.

11

Wpływ czasu bombardowania jonowego na charakter struktury geometrycznej powierzchni stali

Martan J., Kowalski Z. W.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2005

|

Vol. 46, nr 6

18-19

PL

Badanie struktury geometrycznej powierzchni (SGP) jest jednym z ważniejszych zagadnień związanych z modyfikacją powierzchni ciała stałego. Odgrywa ona niezwykle istotną rolę w mikroelektronice i medycynie. Podstawowymi składowymi SGP są chropowatość oraz mniej znane i rzadziej badane - falistość i wady powierzchni. Charakter struktury geometrycznej powierzchni materiału zależy od rodzaju stosowanego procesu technologicznego, np. obróbki skrawaniem lub coraz częściej stosowanego rozpylania jonowego. W niniejszym opracowaniu przeanalizowano wpływ czasu bombardowania wiązką jonów powierzchni stali nierdzewnej na charakter SGP, wykorzystując metodę analizy harmonicznych, zapożyczoną z elektrotechniki.

EN

Investigation of surface geometrical structure (SGS) is one of the more important problems connected with solid surface modification. SGS plays an important role in such branches of science and technology like microelectronics or medicine. The main components of the structure in question are roughness and less known and rarely investigated - waviness and surface defects. Surface geometrical structure character of the material depends on kind of technological process applied, e.g. machining or more and more frequently used ion sputtering. In this work the influence of ion--beam bombardment duration of stainless steel surface on SGS character was analysed making use of harmonic analysis method, borrowed from electrical engineering.

12

An influence of ion bombardment on plasma nitriding process of Ti6Al4V alloy at 843K temperature

Sadurski K., Jeziorski L., Frączek T., Bałaga Z.

Inżynieria Materiałowa

|

2004

|

R. XXV, nr 3

649-652

EN

This work presents results of investigations on d.c. glow discharge nitriding of alpha+beta Ti-6Al-4V titanium alloy. The treatment was performed at 843 K in nitrogen-hydrogen atmosphere, pressure 300Pa. Special attention was paid to nitriding mechanism and determination of the role of ion bombarding in nitriding process of titanium alloys. Produced as a result of d. c. plasma nitriding surface layers were subjected to macroscopic observations, microstructure studies, microhardness testing and X-ray analysis.

PL

Niniejsza praca przedstawia wyniki badań nad procesem azotowania stopu tytanu alfa+beta Ti-6Al-4V w wyładowaniu jarzeniowym prądu stałego. Obróbkę przeprowadzono przy temperaturze 843K w atmosferze azot-wodór i ciśnieniu 300Pa. Szczególną uwagę poświęcono mechanizmowi azotowania i określeniu roli bombardowania jonowego w procesie azotowania stopów tytanu. Wytworzone warstwy wierzchnie zostały poddane obserwacjom makroskopowym, badaniom mikrostruktury, pomiarom mikrotwardości i analizie rentgenowskiej.

13

Bombardowanie jonowe warstwy wierzchniej poliolefin

Bieliński D., Ślusarski L., Lipiński P., Turos A., Jagielski J.

Przemysł Chemiczny

|

2003

|

T. 82, nr 8-9

885-888

14

Badania składu chemicznego cienkich warstw tlenku molibdenu MoO3-x metodą XPS.

Gulbiński W., Suszko T.

Inżynieria Materiałowa

|

1999

|

R. XX, nr 5

481-483

PL

W pracy tej, technika XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) została użyta do pomiaru odchyleń od składu stechiometrycznego w badanych warstwach. Stwierdzono, że skład chemiczny otrzymanych drobnokrystalicznych i amorficznych warstw tlenku odpowiada, w granicach błędu pomiarowego, stechiometrycznej formule MoO3. Zaobserwowano także dużą wrażliwość badanych warstw na bombardowanie jonowe w wysokiej próżni. W jego wyniku ma miejsce wyraźny, powierzchniowy ubytek tlenu. Potwierdzają to wyniki analiz, a także zmiany kształtu widma fotoelektronów w walencyjnym przedziale energii, wskazujące na wzrost koncentracji centrów donorowych.

EN

The aim of this work was to estimate the oxygen to molybdenum atomic ratios in thin films under study, by means of XPS method. The photoelectron spectra were registered for as loaded (A) crystalline and amorphous thin oxide films on silicon substrates. Using Mo(3d) and 0(1s) core level lines, the oxygen to molybdenum atomic ratios have been determined as very close, within experimental error, to the valve corresponding to stoichiometric MoO3 oxide. Films of both types have been also found to be highly sensitive to ion bombardment under high vacuum conditions. After such a treatment, significant change of core level and valence band spectra of both, crystalline and amorphous films, can be observed - (B) denoted spectra. This change is due to oxygen vacancies playing a role of donor centers.

15

Ion bombardment-induced reduction of the ultra-high residual stress in sputter-deposited nitride films designed for electronics.

Nowak R.

Inżynieria Materiałowa

|

1998

|

R. XIX, nr 4

1238-1243

EN

The paper adresses the novel post-deposition method of relaxing ultra-high internal stresses prevailing in sputter-grown thin films. A significant reduction of stress has been confirmed by X-ray diffraction and independent substrate deflection measurements for HfN films treated with Si and Au ions of various energies and fluence. The particular sequence of experiments made it possible to deduce about the only possible scenario resulting in stress-relaxation. The observed phenomenon was attributed to the transport of the interstitial defects within the thermal spikes induced by bombarding HfN with ions and an increase in vacancy concentration. The employed Auger electron spectroscopy, transmission electron microscopy and X-ray diffraction technique confirmed that the ion bombardment did not affect either the composition, dislocation structure or texture of nitride films. Stress-relaxation observed for HfN films with the modified shallow zone (implantation with N+ ions of lower energies) served as a proof that the stress reduction is caused by the process which occurs within the film's volume.