Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Studium povrchových a objemových magnetických vlastností austenitických ocelí a Heuslerových slitin na bázi Fe. Měření kvality směšování při vzniku abrazivního vodního paprsku (AWJ).

SP2018/43

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2018 - 31. 12. 2018

Předmět výzkumu projektu je rozdělen do tří základních směrů. Prvním směrem je studium objemových magnetických vlastností tří typů austenitických korozivzdorných ocelí. Oceli budou tvářeny za studenou pomocí metody DRECE (Dual Rolling Equal Channel Extrusion) a ohybovou metodou. K výzkumu magnetických vlastností bude využit vibrační magnetometr VSM, který je schopen s vysokou citlivostí měřit objemové magnetické vlastnosti pevných látek. Zjištěné magnetické vlastnosti ocelí budou korelovány se změnou jejich vnitřní struktury po tváření za studena za podpory skenovací elektronové mikroskopie a detektoru EDX a Mössbauerovy spektroskopie. Ve spolupráci se Slovenskou akademií věd v Bratislavě (Dr. Dušan Janičkovič) byly připraveny Heuslerovy slitiny Fe2MnSi, Fe2MnAl a Fe71Al22Ti7, jejichž studium mikrostruktury a povrchových a objemových magnetických vlastností tvoří druhý směr výzkumu projektu. První dvě slitiny byly připraveny třemi odlišnými technologiemi: metodou rovinného lití, indukčním tavením a obloukovým tavením. K jejich mikrostrukturní a magnetické charakterizaci bude použita celá řada experimentálních metod včetně rentgenové difrakce (XRD), transmisní a skenovací elektronové mikroskopie (TEM, SEM), Mössbauerovy spektroskopie (MS), spektrální magnetooptické Kerrovy magnetometrie a mikroskopie (MOKM) a vibrační magnetometrie (VSM). Protože vzorky jsou při pokojové teplotě paramagnetické, zaměříme se také na jejich charakterizaci při nízkých a vysokých teplotách. Předběžné výsledky ukazují, že pásky připravené technologií rovinného lití vykazují výraznější posun Curieovy teploty směrem k pokojové teplotě v porovnání s objemovými vzorky připravenými indukčním a obloukovým tavením. Tento důležitý poznatek bude možné využít při aplikacích těchto materiálů zejména v oblasti senzoriky. Speciální pozornost bude věnována slitině Fe71Al22Ti7, která byla připravena metodou indukčního tavení a po vyžíhání při teplotě 1000 stupňů Celsia (po dobu 168 h) vykazuje velmi silné kvadratické magnetooptické Kerrovy jevy. Při studiu magnetooptických Kerrových jevů budou využity aparatury vektorové magnetometrie a spektrální magnetooptiky, které nám umožní separovat všechny tři lineární složky vektoru magnetizace (v rovině vzorku – longitudinální a transverzální, kolmo na rovinu vzorku - polární) a také kvadratické příspěvky, a to v rozsahu vlnových délek od 230 nm do 1500 nm. Kromě studia povrchového magnetismu se zaměříme také na analýzu změny mikrostruktury slitiny vlivem žíhání. Získané výsledky budou porovnány s charakteristikami slitin Fe78Al22 a dalšími slitinami FeAlTi, u nichž bude nepatrně změněno množství titanu. Třetí směr projektu tvoří teoretické a experimentální stanovení rychlosti přisávání abrazivního materiálu do směšovací hlavice pro generování abrazivního vodního paprsku (AWJ). Tato rychlost souvisí s kvalitou směšování, tedy rozdělením zrnitosti částic abrazivního materiálu ve vzniklém abrazivním vodním paprsku. Rychlost přísunu abraziva do směšovací komory ovlivňuje kvalitu obrobené plochy, protože při vyšším množství abraziva dochází ke zhoršení plynulosti toku, mohou vznikat pulzace toku a dokonce i jeho přerušení. Proces je silně závislý na několika parametrech, a to zejména množství abrazivního materiálu přisypávaného do sací části systému, ale také na velikosti průměru vodní trysky a usměrňovací trubice, délce usměrňovací trubice, rozměrech směšovací komory, vstupní hrany usměrňovací trubice, ale například i na tlaku vody, kterým se vodní paprsek generuje. Tento složitý proces se obtížně modeluje i současnými pokročilými softwarovými prostředky, proto je potřeba co nejpřesněji určit všechny dostupné parametry, které mohou modelování verifikovat, nebo posloužit jako vstupní či okrajové podmínky. Z tohoto důvodu byla navržena metoda měření rychlosti proudění vzduchu s abrazivem sacím potrubím systému. Je založena na detekci magnetických částic pohybujících se sacím potrubím společně se vzduchem a abrazivem. Součástí řešení projektu je kromě vlastních měření také příprava vhodného magnetického materiálu a způsobu jeho dávkování do systému tak, aby byla odezva na snímačích dostatečná, zároveň natolik průkazná, že bude možno použít zjištěné časové zpoždění průchodu magnetického materiálu kolem dvou senzorů posunutých o známou vzdálenost k výpočtu rychlosti proudění. Měřicí systém bude po zprovoznění použit k experimentálnímu výzkumu závislosti rychlosti proudění na typu abraziva, jeho zrnitosti, tvaru zrn a výše uvedených faktorech (průměr trysky atd.).

prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.
Robin Silber
Ing. Vladan Geryk
Ing. Andrii Titov
Bc. Martin Otáhal
Ing. Dmitry Markov
Ing. Martin Tyč
Ing. Adam Štefek

Hlavním cílem je zapojení celkem pěti studentů celoškolských oborů Aplikovaná fyzika a Nanotechnologie do výše zmíněné výzkumné problematiky. Andrii Titov (3.ročník Ph.D. Aplikovaná fyzika), Dmitry Markov (2.ročník Mgr. Nanotechnologie) a Robin Silber (4.ročník Ph.D. Nanotechnologie) se budou zabývat charakteristikou Heuslerových slitin, Martin Otáhal (2.ročník Mgr. Aplikovaná fyzika) se bude věnovat studiu vlastností austenitických ocelí a Vladan Geryk (3.ročník Ph.D. Aplikovaná fyzika) stanovení rychlosti přisávání abrazivního materiálu do směšovací hlavice pro generování abrazivního vodního paprsku. Plánované výstupy jsou následující:

1. Publikace v časopise s impakt faktorem věnovaná kvadratickým magnetooptickým jevům na slitině Fe71Al22Ti7.
2. Prezentace výsledků Heuslerových slitin Fe2MnSi a Fe2MnAl v rámci konference JEMS 2018 v Mohuči a jejich publikace v časopise s impakt faktorem.
3. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na abrazivní vodní paprsek.
4. Získané výsledky budou součástí diplomových prací studentů Bc. Martina Otáhala (obhajoba červen 2018) a Bc. Dmitry Markova (červen 2018) a dizertačních prací studentů Andrii Titova (2018), Vladana Geryka a Robina Silbera (2018).
5. Prezentace výsledků v rámci seminářů Katedry fyziky a konference VŠB-TUO.

Zdůvodnění finančních prostředků:

Stipendia (celkem 80 tis. Kč) - Stipendia studentů pracujících na projektu.

Materiálové náklady (celkem 80 tis. Kč) - Materiál a nástroje k výrobě experimentálních prvků, těsnění a materiál na opravy vysokotlakých zařízení, hroty k mikroskopu AFM/MFM, materiálové náklady na dusík a argon, nářadí a nástroje, kancelářské potřeby.

Drobný hmotný a nehmotný majetek (celkem 20 tis. Kč) - Upgrade programového vybavení pro laboratoř kapalinového paprsku, optické prvky.

Služby (celkem 85 tis. Kč) - Vložné na konferenci JEMS 2018 (3.-7. 9. 2018 v Mohuči, Německo), pronájem dusíkových a argonových lahví, publikační poplatky, oprava a údržba řezacího stolu a vysokotlakých čerpadel.

Cestovní náhrady (celkem 36 800 Kč) - Cestovné na konferenci JEMS 2018 v Mohuči, konzultace se spolupracujícími pracovišti (Brno, Praha, Katovice, Kielce, Milán, a podobně).

Doplňkové (režijní) náklady (celkem 35 200 Kč)

Konference (celkem 15 tis. Kč) - náklady na organizaci studentské vědecké konference s prezentací dosažených výsledků.