Letní studentské projekty 2023

Letní projekty na Katedře fyziky materiálů

Baví Vás experimentální práce, ale zajímáte se i o fyzikální pozadí pozorovaných jevů? Chcete získat znalosti o fyzice materiálů a pevných látek? Láká vás podílet se na výzkumu, který může mít okamžité uplatnění v praxi? Chcete se více dozvědět o nejnovějších materiálových technologiích, které se využívají v automobilovém a leteckém průmyslu, při konstrukci jaderných elektráren nové generace, či v medicíně?

Pojďte řešit studentský projekt na Katedře fyziky materiálů, určený pro studenty 1. a 2. ročníku.

O co jde?

Jedná se o malý vědecký projekt, který se týká aktuálních problému v oblasti fyziky materiálů. Práce bude především experimentálního charakteru – uvidíte, jak to opravdu vypadá ve výzkumu, dostanete se i  k pokročilému experimentálnímu vybavení (skenovací a transmisní elektronový mikroskop, vysokorychlostní kamery atd.).

Zvládnu to?

Ano! Nejsou potřeba žádné znalosti o fyzice materiálů, vše potřebné vás naučíme. Projekty jsou vymyšlené tak, aby jejich řešení zvládl i začínající student. Vedoucí projektu (typicky doktorandský student) Vám bude po dobu řešení plně k dispozici.

Jaký bude výsledek projektu?

Výsledkem projektu bude krátká závěrečná zpráva se shrnutím výsledků, které jste naměřili. Po odevzdání zprávy dostanete odměnu 8 000 Kč.

Kdy budu projekt řešit?

Projekty jsou navrženy tak, aby práce na nich zabrala zhruba 2 týdny – s vedoucím se individuálně domluvíte na konkrétních dnech v období od července do září. Pokud budete mít zájem, můžeme se domluvit i na větším projektu a adekvátně větší finanční odměně.

Jak se přihlásit?

Stačí ozvat se mailem vedoucímu projektu, jehož téma vás zaujalo. Můžete se u něj podrobněji informovat o tom, jak by projekt vypadal. Pokud byste měli zájem o jiné téma, ozvěte se Elišce Jača (eliska.jaca@matfyz.cuni.cz), vymyslíme Vám projekt na míru.

Proč to dělat?

Vyzkoušíte si práci experimentálního fyzika a zapojíte se do řešení zajímavých výzkumných projektů.

Spoustu se toho naučíte, a ještě za to dostanete zaplaceno.

Na projekt je možno navázat bakalářskou nebo diplomovou práci.

 

Vypsaná témata:

1. Měření chemického složení vícefázových slitin pomocí skenovací elektronové mikroskopie

Vedoucí: Mgr. Jiří Kozlík

E-mail: jiri.kozlik@mff.cuni.cz

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Vysokoteplotní komplexní koncentrované slitiny (refractory complex concentrated alloys, RCCAs) jsou rychle se rozvíjející rodinou materiálů se značným aplikačním potenciálem, např. pro letecké motory či fúzní technologie. Opouští paradigma klasických slitin spočívající v přidávání legujících příměsí do jednoho hlavního prvku, místo toho jsou použité prvky zastoupeny ve vyvážených poměrech. Vzhledem k obrovské šíři dostupného koncentračního prostoru jsou tyto slitiny dosud jen velmi málo prozkoumány. Nedostatek experimentálních informací o fázovém složení a základních mechanických vlastnostech je v současnosti limitujícím faktorem dalšího výzkumu.

Mikroskopická (nahoře) a rentgenová chemická analýza (dole) slitiny 20Al-20Ti-20Ta-40Zr.

Fázové a chemické složení lze relativně snadno studovat pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM) a rentgenové spektroskopie (EDS). Vyhodnocení získaných dat je však závislé na správném přiřazení jednotlivých měřených pixelů k daným fázím. Standardní komerční software však neumožňuje toto zpracování provádět s dostatečnou flexibilitou.

Cílem projektu je vytvořit skript pro poloautomatické zpracování získaných experimentálních dat (extrakce dat ze souboru, clusterová analýza, jednoduchý výstup) v prostředích Python, ImageJ, příp. Matlab. V případě potřeby navrhneme vhodné experimentální parametry, které usnadní následné zpracování.

 

2. Vliv lithia a yttria na mikrostrukturu a texturu zpracovaných hořčíkových slitin

Vedoucí: RNDr. Jan Dittrich

E-mail: jan.dittrich@mff.cuni.cz

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Hořčík, coby nejlehčí strukturní kov, je v současnosti intenzivně zkoumán pro široké spektrum aplikací zahrnujících mj. dopravu, osobní elektroniku, sportovní vybavení a medicínu. Krystalizace hořčíku v hexagonální těsně uspořádané mřížce však značně komplikuje jeho deformační zpracování. Při pokojové teplotě je v tomto typu mřížky totiž k dispozici relativně málo skluzových systémů pro šíření dislokací a deformaci často doprovází vznik dvojčat. Při zpracování za vyšších teplot dochází k primární aktivaci bazálního skluzového systému, což často způsobuje vznik výrazné textury. Tato silná textura je značně nevýhodná pro funkčnost výsledného materiálu, protože způsobuje anizotropii mechanických vlastností. Jednou z možností, jak snížit intenzitu vzniklé textury, představuje legování hořčíku pomocí specifických prvků. Ytrium a lithium jsou lehce rozpustné prvky v hořčíkové matrici a mají výrazný vliv na aktivaci deformačních mechanismů za pokojové i zvýšené teploty. Příměsi yttria a lithia tak mohou výrazně ovlivnit výslednou mikrostrukturu i texturu zpracovávaných hořčíkových slitin. Navíc se jedná o biokompatibilní prvky, což umožňuje využití vzniklých materiálů coby biologických implantátů – právě vývoj materiálů na bázi hořčíků pro dočasné ortopedické aplikace je cílem výzkumu, jehož součástí je nabízený letní projekt.

V rámci projektu bude zkoumán vliv jednotlivých prvků a jejich různá kombinace na mikrostrukturu, texturu a mechanické vlastnosti výsledných slitiny, zpracovaných metodami intenzivní plastické deformace, konkrétně metodami extruze a protlačování lomeným kanálem (ECAP). Řešitel/řešitelka bude v rámci projektu zapojen/a do probíhajícího výzkumu a bude se aktivně zapájet do přípravy vzorků, analýzy mikrostruktury pomocí optické a skenovací elektronové mikroskopie a analýzy mechanických vlastností pomocí měření mikrotvrdosti a deformačních testů. Projekt je v případě zájmu možné rozšířit na bakalářskou práci.

Obr. 1: a) obrázek mikrostruktury slitiny Mg-Li-Y v odlitém stavu, pořízen optickým mikroskopem, b) polykrystalická struktura slitiny Mg-Li-Y zpracované metodou ECAP zobrazená pomocí metody EBSD v rámci charakterizace skenovacím elektronovým mikroskopem a c) ukázka využití biodegradabilního šroubu z hořčíkové slitiny při fixaci fraktury (https://doi.org/10.1016/j.tcr.2017.01.012)

 

 
 
 
 

3. Studium komplexních koncentrovaných slitin pomocí elektronového mikroskopu

Vedoucí: Mgr. Eliška Jača

E-mail: eliska.jaca@matfyz.cuni.cz

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Komplexní koncentrované slitiny jsou novou skupinou materiálů, které mají potenciál nahradit niklové superslitiny např. v leteckých motorech. Tyto slitiny, na rozdíl od konvenčně využívaných, neobsahují jeden hlavní prvek, ale několik různých prvků ve vysokých koncentracích. Existuje tak mnoho kombinací složení, z nichž je většina dosud zcela neprozkoumána. Jednou z limitujících vlastností pro potenciální využití je však jejich obecně nízká oxidační odolnost.

Obsahem projektu bude studium vysokoteplotní oxidace vybraných slitin, konkrétně příprava vzorků a jejich následná charakterizace před a po oxidaci. V průběhu řešení se bude mimo jiné využívat skenovací elektronový mikroskop, ze kterého pochází snímek připojený k dokumentu (příčný řez oxidickou vrstvou vzniklou na slitině FeAlCrNiV). Řešitel se v průběhu řešení seznámí se základními metodami studia materiálů a bude se moct dále zapojit do výzkumu na Katedře fyziky materiálů a také navázat na projekt bakalářskou prací.

 
 

4. Ti slitiny s napěťově indukovaným martenzitem

Vedoucí: RNDr. Dalibor Preisler

E-mail: preisler.dalibor@gmail.com

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Moderní slitiny titanu patří k nezastupitelným konstrukčním materiálům např. v letecké technice nebo v medicíně pro výrobu implantátů. Jednou ze skupin jsou metastabilní beta slitiny Ti, které zaujímají v celém objemu kubickou, prostorově centrovanou mřížku (bcc). Při správném vyladění legujících prvků (např. Mo, Nb, Zr, Fe) může docházet při mechanickém namáhání k přesmyku atomů do ortorhombické struktury - tzv. martenzitu. Výsledkem může být materiál s podstatně vyšší tažností díky tzv. TRIP efektu (TRansformation Induced Plasticity).

Náplní studentského projektu bude charakterizace slitin, vyvíjených na Katedře fyziky materiálů. Z dostupných materiálů budou připraveny připraveny tahové / tlakové vzorky, které budou vzápětí otestovány. Jejich výsledná mikrostruktura bude následně studována za pomoci mikroskopických metod. Cílem projektu je seznámení řešitele s aktuálním výzkumem řešeným na KFM a dále seznámení s relevantními metodami přípravy a charakterizace materiálů. Na výstupy projektu může navázat případná bakalářská či diplomová práce.

 

5. Analýza atomových poloh v titanových slitinách

Vedoucí: Bc. Kristián Šalata

E-mail: kristian.salata3@gmail.com

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Mechanické vlastnosti kryštalických materiálov úzko súvisia s ich kryštalickou štruktúrou. Jedným z možných spôsobov ako ovplyvniť pevnosť a ťažnosť titánových zliatin je kontrolovať a študovať ich fázové zloženie – teda aké typy kryštalického usporiadania sa v danej zliatine nachádzajú. Hlavnou metódou, ktorá dokáže túto otázku zodpovedať, je röntgenová difrakcia – XRD. S pomocou pokročilého kvantitatívneho vyhodnotenia recipročnej mapy získanej na 2D detektore je tak možné určiť nielen symetriu kryštalickej štruktúry, ale aj polohu jednotlivých atómov študovanej fázy.

Hlavným cieľom predkladaného projektu je vyrobiť niekoľko zliatin z čistých prvkov oblúkovým tavením, vyžíhať ich pri vysokej teplote a následne zakaliť. Z pripravených odliatkov budú následne vyrezané tenké plátky za účelom merania transmisnej röntgenovej difrakcie. Vzniknutá fáza bude ďalej kvantitatívne vyhodnotená pomocou fitovania štruktúrneho faktoru, a teda polôh jednotlivých atómov.

 

6. Hořčíkové slitiny s vysokou teplotou vznícení

Vedoucí: RNDr. Stanislav Šašek

E-mail: sasekstanislav@seznam.cz

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Hořčíkové slitiny byly v posledních letech předmětem intenzivního výzkumu především kvůli velmi nízké hustotě (ρ = 1740 kg⋅m−3) a s tím spojené vysoké specifické pevnosti. Tyto vlastnosti dělají z hořčíkových slitin vhodného kandidáta pro využití v odvětvích kladoucích důraz na úsporu hmotnosti, jako jsou např. automobilový nebo aerokosmický průmysl. Použití hořčíkových slitin jako konstrukčního prvku může významně snížit hmotnost, což vede jak k úsporám nákladů na provoz, tak k redukci emisí CO2.

Širšímu užití hořčíkových slitin v aerokosmickém průmyslu bránily nevýhody komerčně dostupných hořčíkových slitin. Jedná se jednak o omezenou korozní odolnost a dále zejména o nízkou odolnost proti vznícení. Ke vznícení hořčíku dochází již kolem teploty tání (650 °C) a k jeho uhašení je nutné použít speciální hasicí prostředky. Tyto nedostatky vedly k zákazu použití hořčíkových slitin v interiéru dopravních letadel. Nové objevy v oblasti hořčíkových slitin s vysokou teplotní odolností vedly ke změně předpisů, jež opět umožnila využít hořčíkové slitiny pro konstrukci sedaček v civilních letadlech.

Je-li hořčík, nebo jeho slitina vystavena vysoké teplotě, dochází k oxidaci. Exotermický charakter tohoto procesu vede ke zvýšení teploty povrchu vzorku, což urychluje další oxidaci. Probíhá-li oxidace dostatečně rychle, okolí není schopno nadbytečné teplo odvádět a dojde k prudkému nárůstu teploty a vznícení materiálu. Dalším produktem oxidace je oxidická vrstva. Ta se formuje na povrchu materiálu a brání tak kontaktu hořčíku se vzdušným kyslíkem. Oxid hořečnatý ovšem ztrácí strukturální stabilitu při cca 600 °C a neposkytuje při vyšších teplotách dostatečnou ochranu. Bylo prokázáno, že teplotní odolnost hořčíkových slitin lze zvýšit přidáním vhodného prvku A. Tento prvek a jeho oxid musí splňovat následující:

  • Oxid AxOy musí být energeticky výhodnější než MgO
  • Rozpustnost a difuzivita prvku A musí být dostatečně vysoká.

Prvek splňující výše zmíněné podmínky obvykle vytváří na povrchu ochrannou oxidickou vrstvu, která brání další oxidaci a následnému vznícení. Mezi prvky, které prokazatelně zvyšují teplotu vznícení, patří především kovy vzácných zemin (Y, Gd, Nd, …) a Ca.

Řešení tohoto projektu spočívá ve studiu oxidických vrstev systému Mg-Ca-Y-Al-Zn a zahrnuje:

  • Torch flammability test: pozorování růstu oxidické vrstvy vysokorychlostní kamerou při vystavení slitiny tepelnému zdroji a následné vyhodnocování záznamu
  • Studium oxidických vrstev pomocí elektronové mikroskopie
  • Příprava vzorků na výše zmíněné experimenty
  • Zpracování výsledků a sepsání závěrečné zprávy.

Obr. 1: Charakteristické snímky a) povrchu a b) příčného řezu PEO vrstvy připravené na hořčíkové slitině, pořízené pomocí skenovací elektronové mikroskopie.

Obrázek č. 1: EDS mapa oxidické vrstvy na slitině Mg-4Y-4Gd-2Ca po žíhání při 950 °C.

 

Video č. 1: Torch flammability test: záznam vysokorychlostní kamerou při vystavení slitiny tepelnému zdroj.

Literatura:

  • Tekumalla, S.; Gupta, M. An Insight into Ignition Factors and Mechanisms of Magnesium Based Materials: A Review. Mater. Des. 2017, 113, 84–98.
  • Kubásek, J.; Minárik, P.; Hosová, K.; Šašek, S.; Knapek, M.; Veselý, J.; Stráská, J.; Dvorský, D.; Čavojský, M.; Vojtěch, D. Novel Magnesium Alloy Containing Y, Gd and Ca with Enhanced Ignition Temperature and Mechanical Properties for Aviation Applications. J. Alloys Compd. 2021, 877, 160089.

 

7. Kolektivní pohyb atomů v přímém přenosu

Vedoucí: RNDr. Ing. Michal Knapek, Ph.D.

E-mail: knapek@karlov.mff.cuni.cz

Upoutávka (klikněte pro rozbalení), nebo stáhněte PDF verzi

Kovové materiály sú kryštalické látky (skladajú sa z pravidelne usporiadaných atómov tvoriacich kryštalickú mriežku), ktoré obvykle vykazujú vysokú mechanickú pevnosť a tvárnosť, t.j. je možné ich plasticky deformovať bez toho, aby stratili svoju "integritu". Deformačné procesy v kovových materiáloch nie sú úplne intuitívne - jednoduchá predstava o pohybe a posune atómových rovín je z dôvodu vysokej energetickej náročnosti tohto procesu nesprávna. Naopak, deformácia je sprostredkovaná energeticky preferovanými procesmi, a to (i) existenciou a pohybom určitého typu porúch kryštalickej mriežky, tzv. dislokácií, a (ii), tzv. dvojčatením, pri ktorom dochádza k reorientácii časti kryštalickej mriežky.

Dislokačná dynamika, ad. (i), je pomerne podrobne zdokumentovaná. Naopak, dvojčatenie, ad. (ii), je proces, ktorý stále púta pozornosť vedeckej komunity. Dôvodom je hlavne chýbajúca teória, ktorá by jasne popísala predpoklady a dynamiku procesov dvojčatenia. Rozvoj experimentálnych techník v poslednom desaťročí avšak prináša nové možnosti skúmania týchto javov.

Naša katedra disponuje unikátnou kombináciou experimentálnych zariadení - miniaturizované deformačné stoly, svetelná a elektrónová mikroskopia, ultravysokorýchlostné kamery (záznam až do 2,1 miliónov obrázkov za sekundu) - ktoré umožňujú sledovať procesy nukleácie a šírenia dvojčiat s bezprecedentným časovým rozlíšením. Náš nedávny výskum (Obr. 1) ukázal, že rýchlosť šírenia dvojčiat v kovových zliatinách môže prekvapivo dosahovať až desiatky metrov za sekundu. Tento projekt si kladie za cieľ zmapovať dynamiku dvojčatenia vo vybraných čistých kovoch (horčík, titan a/alebo kobalt), čím výrazne prispeje k pochopeniu fyzikálnej podstaty týchto procesov.

Obr. 1: Atypická nespojitá plastická deformace slitiny FeAlCrMo.

Obr. 1: Tvorba dvojčaťa v zliatine Mg-Gd. Záznam rýchlosťou 700 tisíc obrázkov za sekundu [1].

 

Na projekt môže nadväzovať bakalárska alebo diplomová práca.

 

Pozn.: S ultravysokorýchlostnou kamerou si môžete vyskúšať aj "bežnejšie" experimenty: rozbitie vajíčka/skla, zapálenie zápalky, a pod. :-).

 

Literatúra:

[1] K. Máthis, A. Farkas, M. Knapek, et al. “The Influence of Gadolinium Concentration on the Twin Propagation Rate in Magnesium Alloys.” Journal of Alloys and Compounds 948 (2023) 169635.