Platform voor de metaalverwerkende industrie

NL | FR

Oppervlaktebehandeling

Selectieve oppervlaktebewerking van nanocomposiet met ultrasnelle laser

Bovenstaande figuur toont de SEM-beelden van de geselecteerde, met de laser gescande zone van het oppervlak van het zirkonium-/aluminiumoxide nanocomposiet onder de verschillende toegepaste laserfluenties. De lichte fase is zirkoniumoxide, de donkere fase aluminiumoxide. De resultaten van de EDX-puntanalyse van de twee fasen is te zien in (d).

Tekst | Oliver Malek

Beeld | Sirris

22 november 2021 Leestijd 13 minuten

Deel dit artikel

Een recent onderzoek boog zich over ultrasnel laserbewerken van keramiek uit zirkonium-/aluminiumoxide nanocomposiet, het huidige standaard materiaal voor keramische lagercomponenten in orthopedie wegens zijn tegelijk hoge hardheid en slijtageweerstand. Onder experimentele omstandigheden werd de zirkoniumoxidefase selectief verwijderd via ablatie, terwijl de aluminiumoxidefase intact bleef. Dit opent nieuwe perspectieven voor selectieve oppervlaktebehandelingen.

Het onderzoeksteam, dat ook experts van Sirris telde, ging na hoe keramiek uit zirkonium-/aluminiumoxide nanocomposiet reageert onder ultrasnelle laserbestraling aan een ‘fluence’ (fluentie) nabij de ablatie­drempel, waar de inhomo­geniteit van het materiaal niet verwaar­loos­baar is. Extra aan­dacht ging naar de invloed van de toe­gepaste laserfluentie op het gedrag van de verschillende fasen bij ablatie. 

Bovenstaande figuur toont een schematische afbeelding van het mechanisme van selectieve verwijdering met een ultrasnelle laser van de zirkoniumoxidefase uit het oppervlak van een zirkonium-/aluminiumoxide-nanocomposiet. Een grotere contrast in bandkloof tussen de verschillende fasen, die overeenkomt met een groter verschil in de laserablatiedrempel, wordt veronderstelt een positieve invloed te hebben op de selectieve faseverwijdering.

Ultrasnelle lasers en nanocomposiet

Met een pulsduur die korter is dan de elektron-foton-relaxatietijd worden ultra­snelle lasers uit­gebreid ingezet voor materiaal­bewerking met een hoge precisie en mini­male ther­mische invloed. Bij eerdere experimentele onder­zoeken waren de toegepaste laser­fluenties veel hoger dan de laserablatie­­drempel van de materialen voor de efficiënte verwijdering van materiaal. Aan­gezien de korrel­­groottes daarbij veel kleiner waren dan de laserpunt, was de invloed van de intrinsieke micro­­structurele inhomo­geniteit van de nano­composiet­­materialen niet duidelijk. Wanneer de toegepaste laser­­fluentie echter rond de ablatie­­drempel ligt, is er slechts een klein gebied in het centrum van de laserpunt, waar de lokale laserfluentie groter is dan de ablatie­drempel. Onder deze omstandig­­heden wordt de inhomo­­geniteit van het nano­composiet­­materiaal verwacht een aanzienlijke invloed te hebben op de resultaten van laser­bewerken en mag daarom niet over het hoofd gezien worden.

Laserablatie

In plaats van het substraat als homogeen materiaal te beschouwen, zoals gebruikelijk is in laser­micro­bewerken, werd tijdens het recente onder­zoek het ablatie­gedrag van de verschillende materiaal­fasen rond de drempel van laser­ablatie bij ultrasnelle laser­bestraling onder de loep genomen. Bij (laser)ablatie wordt materiaal lokaal verhit, waar­door bij een bepaalde tempe­ratuur een kritische waarde wordt over­schreden, het materiaal daar­bij ver­dampt en zo verwijderd. Omdat het materiaal via ablatie fysiek ver­wijderd wordt, wordt ook de thermische energie die in de massa vervat zat verwijderd en zal de gemiddelde temperatuur van het overblijvende materiaal dalen.

Het algemene concept van de methode wordt getoond in onderstaande figuur, met als voorbeeld een 4-fasencomposiet, waarvan de vier fasen een verschillende bandkloof hebben en gekenmerkt worden door een unieke laserablatiedrempel. Wanneer het materiaal met een laser bestraald wordt, kunnen we aannemen dat de fasen met een laserablatiedrempel kleiner dan de toegepaste laserfluentie volledig zullen verwijderd worden, terwijl de andere fasen intact zullen blijven.

Het experiment

Het keramiek uit eenfasig zirkonium en alu­minium en zikonium-/aluminiumoxide nano­compo­siet werd verwezenlijkt met commercieel ver­krijg­bare poeders via drukloos sinteren. Het gesin­terde kera­miek werd eerst gepo­lijst met diamant­pasta met verschillende korrel­groottes, daarna met een SiO2-polijst­oplossing om een gladde oppervlakte­afwerking te bereiken. De ruw­heid over een groter opper­vlak bedroegen voor zowel het zirkonium­oxide als het composiet­materiaal minder dan 10 nm. Onregelmatig­heden aan het opper­vlak van het aluminium­oxide oppervlak waren veroorzaakt door uitgetrokken korrels tijdens het polijsten, wat de oppervlakteruwheid over een groot oppervlak aanzienlijk deed stijgen, terwijl de oppervlakteruwheid over een klein oppervlak nog altijd onder 10 nm bleef, wanneer geen rekening werd gehouden met de gebreken. Het keramiek werd bewerkt met als laserbron een femtosecondelaser met Gauss-straalprofiel, met 250 fs als volledige breedte aan half de maximale pulswijdte en een maximale pulsenergie van 20 μJ. De golflengte van de laser was 1.030 nm en de focale lengte van de optische lens was 100 mm.

Bevindingen

Onder experimentele omstandigheden kon de zirkonium­oxidefase selectief worden ver­wijderd via ablatie, terwijl de aluminium­oxide­fase intact bleef. De laser­ablatie­drempel is een kritische para­meter voor het laser­micro­bewerkings­proces. Verschillende feno­menen doen zich voor rond deze drempel, zoals verwijdering van materiaal en de vorming van laser geïnduceerde periodische oppervlaktestructuren (laser-induced periodic surface structures – LIPSS). Om het gedrag van materiaal rond de ablatiegrens te onderzoeken, werd een scanexperiment uitgevoerd. Wanneer de toegepaste laserfluentie 2,02 J/cm² bedroeg (d.i. een beetje meer dan de ablatiedrempel van zirkoniumoxide onder 16-puls-laserbestraling, maar minder dan die van aluminiumoxide), werden kleine, door de laser uitgelokte gebreken ontdekt op de zirkoniumoxidefase, vooral aan de korrelgrenzen tussen de zirkonium­oxide- en aluminiumoxidefasen. Aan een laserfluentie van 2,24 J/cm², wat veel meer is dan de ablatiedrempel van zirkoniumoxide onder 16-puls-laserbestraling, maar nog altijd minder dan die van aluminiumoxide, waren veel grotere, door de laser veroorzaakte gebreken te zien, voornamelijk in de zirkoniumfase.

SEM beelden en meetresultaten van oppervlakteruwheden van zirkonium (a), zirkonium/aluminium nanocomposiet met 80% aluminiumoxide (b) en aluminiumoxide (c).

Ablatiedrempel

De ablatiedrempel van diëlektrische materialen is volgens onderzoek gelinkt aan de bandkloof, met een exponent die varieert van 2,5 tot 3. De band­kloof van zirkonium­oxide ligt rond 5,8 eV, die van aluminium­oxide rond 8,8 eV. Omwille van die grotere band­kloof wordt aluminium­oxide verwacht resistenter te zijn aan laser­ablatie vergeleken met zirkonium­oxide. Dit impliceert dat onder bepaalde laser­bewerkings­parameters de zirkonium­oxidefase kan bewerkt en verwijderd worden via ablatie, terwijl de aluminium­oxidefase intact blijft, wat kon wor­den bevestigd tijdens de experi­menten binnen het onderzoek: door de non-lineaire absorptie­mechanismen onder ultrasnelle laser­bestraling kon de zirkonium­oxidefase, met een band­kloof van 5,8 eV, meer laser­energie absor­beren dan de aluminium­oxidefase, met een grotere bandkloof van 8,8 eV. 

De verwaar­loosbare warmte­diffusielengte ver­zekert dat de geabsor­beerde laser­energie be­grensd blijft in de individuele fasen, wat leidt tot selec­tieve ablatie van zirkonium­oxide onder de ge­geven laser­invloed.

Potentieel voor oppervlaktebehandeling

Op basis van deze observatie kan een opper­vlakte­behandelings­methode via ultra­snelle selec­tieve laserablatie voor­gesteld worden om de oppervlakte­samenstelling van nano­composiet­materialen die uit fases met een ver­schillende band­kloof bestaan te veranderen. Zo wordt het mogelijk selectief bepaalde fasen uit het opper­vlak van de materialen te verwijderen. Anders dan andere oppervlaktebehandelingsmethoden, zoals zandstralen, niet-selectief chemisch etsen, laseroppervlaktetextureren en traditionele mechanische bewerking, waarbij de oppervlaktetopologie veranderen het hoofddoel is, mikt de nieuwe methode met ultrasnelle laser op het selectief veranderen van de oppervlaktesamenstelling van een nanocomposietmateriaal dat samengesteld is uit verschillende fasen. Door specifieke fasen te verwijderen wordt de oppervlaktetopologie onvermijdelijk gewijzigd, wat een toegevoegde waarde kan zijn of een omgekeerd effect teweegbrengen op het finale product, af­hankelijk van de gewenste functionaliteit.

Representatieve SEM beelden van laserablatie met 1, 10 en 100 pulsen bij laserfluentie van 14,8 J/cm² voor enkelfasige zirkonium (a) en aluminiumoxide (b) keramiek.

Toepassingen

Mogelijke toepassingen zijn te vinden waar de vereiste voor de oppervlaktesamenstelling verschillend is van het bulkmateriaal om bepaalde functies te vervullen. Het voordeel van deze methode is tweeledig: enerzijds biedt deze methode, in analogie met selectief chemisch etsen, een nieuwe fysische manier om de oppervlaktesamenstelling van een composietmateriaal te veranderen, maar dan zonder daarbij nieuwe chemische elementen aan de omgeving toe te voegen. Anderzijds wordt de methode gekenmerkt door het verwijderen van individuele korrels, met kleine holten aan het behandelde oppervlak als gevolg. De grootte van de holten wordt bepaald door de korrelgrootte, die kleiner kan zijn dan de diameter van de laserstraal. Daarom kan de methode ook gebruikt worden om de oppervlaktetopologie te wijzigen van een composietmateriaal met een veel kleinere feature-grootte vergeleken met het klassieke laseroppervlaktetextureringsprocedé, waarbij de feature-grootte van de textuur gewoonlijk beperkt wordt door de laserpuntgrootte. Dit kan nuttig zijn om de slijtageperformantie van de behandelde oppervlakken te verbeteren.

In samenwerking met Sirris   

Nieuwsbrief

Meld u aan om nieuws & updates te ontvangen.

louwers mediagroep
  • GWW-BE

    Grond/Weg/Waterbouw

    Platform over infrastructuur, ruimtelijke inrichting, civiele- en openbare werken

    Naar website
  • IA

    Industrial Automation

    Platform over productie- en procesautomatisering

    Naar website
  • IB-1

    Interieurbouw & Schrijnwerk

    Platform voor de interieurbouwbranche

    Naar website
  • ArchiComm-BE

    ArchiComm

    Platform over architectuur, interieur- & landschapsarchitectuur

    Naar website
  • BAVL

    Bouwen aan Vlaanderen

    Platform voor de bouw

    Naar website
  • Bouwmat

    Bouwmat

    Platform over bouwmaterieel & bouwmachines

    Naar website
  • KB

    Keukenbouw

    Platform over design en techniek in de keukenbranche

    Naar website
  • Greenpro

    Greenpro

    Platform voor de tuin- en groenprofessional

    Naar website
  • CLW

    Construire la Wallonie

    Plateforme pour le bâtiment, génie civil et infrastructures

    Naar website
  • Recyclepro

    Recyclepro

    Platform over de gehele recyclingstroom

    Naar website
  • LP

    Lumenpro

    Platform over licht en verlichting

    Naar website
0%

Wij gebruiken cookies. Daarmee analyseren we het gebruik van de website en verbeteren we het gebruiksgemak.

Details