Studentské práce a projekty

Zirkonium (Zr) a slitiny zirkonia se využívají zejména v jaderné energetice jako pokrytí paliva díky velmi nízkému účinnému průřezu pro záchyt neutronů. Nové slitiny zirkonia s vyšší pevností mohou mít nezanedbatelný aplikační potenciál. Fázové složení (tedy krystalické uspořádání) slitin Zr závisí na příměsových prvcích – např. niob zvyšuje stabilitu tzv. beta fáze (kubická prostorově centrovaná struktura). Slitiny, které obsahují dostatek takových prvků pro zachování beta fáze, se označují jako metastabilní beta slitiny Zr. Tyto pokročilé materiály jsou, navzdory svému aplikačnímu potenciálu, téměř neprozkoumané.

Předmětem projektu je základní charakterizace slitin na bázi Zr-Nb. Výzkum těchto slitin probíhá na školícím pracovišti v rámci projektu Technologické agentury ČR ve spolupráci s Centrem výzkumu Řež. Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s některými experimentálními metodami (skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností, dilatometrie). Předmětem projektu bude pozorování mikrostruktury Zr slitin s různými složením a různým tepelným zpracováním. Řešitel/ka samostatně provede měření mikrotvrdosti a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy.

Studentský projekt je dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou/diplomovou práci.

Slitiny titanu jsou dlouhodobě jedním z nejpoužívanějších materiálů v medicíně, především jako totální endoprotézy velkých kloubů a fixační prvky. Nedávno vyvinuté beta slitiny Ti (tj. slitiny s kubickou prostorově centrovanou mřížkou) se zvýšeným obsahem kyslíku se vyznačují vysokou biokompatibilitou a nízkým modulem pružnosti, který je výhodný pro použití v ortopedii.

Z fyzikálního hlediska jsou tyto materiály zajímavé díky fázovým transformacím, kterými tyto materiály procházejí při tepelném zpracování.
Nabízený projekt je součástí výzkumu na Katedře fyziky materiálů v této atraktivní oblasti. Řešitel/ka se během řešení práce zorientuje v problematice slitin Ti pro využití v medicíně. Hlavní náplní práce je experimentální charakterizace mikrostruktury a mechanických vlastností slitin Ti s různým složením. Cílem je objasnit vliv chemického složení slitiny na její mechanické vlastnosti.

Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s některými experimentálními metodami (skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností, měření vnitřního tlumení). Předmětem projektu bude pozorování mikrostruktury slitin na bázi Ti-Nb-Zr-O s různými složením a různým zpracováním. Řešitel/ka samostatně provede měření mikrotvrdosti a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Studentský projekt je dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou/diplomovou práci.

Slitiny titanu patří mezi nejprogresivnější materiály používané například v letectví nebo jako implantáty v medicíně. Na Katedře fyziky materiálů jsou v současnosti vyvíjeny moderní beta slitiny titanu (slitiny s kubickou prostorově centrovanou krystalovou mříží) určené speciálně pro využití v medicíně. Prášková metalurgie je alternativní metodou výroby kovových materiálů a patří v současnosti mezi jednu nejrychleji se rozvíjejících oblastí pro pokročilou přípravu moderních materiálů. Navzdory boomu v oblasti práškové metalurgie dosud byly těmito metodami metastabilní beta-slitiny titanu vyrobeny jen velmi omezeně.

Hlavní náplní projektu je experimentální charakterizace slitin titanu na bázi Ti-Nb-Zr-O připravených sintrováním elektirckým proudem a objasnění vztahu složením slitiny, mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi. Student/studentka se během řešení projektu zorientuje v problematice slitin Ti a v oblasti práškové metalurgie. V rámci projektu se řešitel/ka seznámí s prací na skenovacím elektronovém mikroskopu, seznámí se s dalšími experimentálními metodami a bude samostatně provádět měření mikrotvrdosti. Řešení projektu reprezentuje aktuální problematiku s jasným aplikačním potenciálem.
Řešitel/ka získané výsledky zpracuje do stručné závěrečné zprávy. Studentský projekt bude dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou/diplomovou práci.

V minulosti byly kovové slitiny běžně tvořeny jenom z jednoho nebo dvou základních kovů a příměsových prvků. Slitiny s vysokou entropií jsou pokrokovými současnými materiály, které se skládají ze stejného nebo přibližně stejného množství pěti nebo vice kovů. Tyto slitiny jsou kvůli výjimečným mechanickým vlastnostem v současnosti v přední pozornosti materiálového výzkumu. Některé tyto slitiny však vykazují plastické nestability, které mají negativní vliv na jejich mechanické chování. Deformační testy se souběžným záznamem akustické emise se osvědčily jako výjimečně citlivý a komplexní nástroj ke studování těchto jevů.

Zásady pro vypracování:

1) Nastudovat základy elastické/plastické deformace kovů a plastických nestabilit (PLC jev).
2) Seznámit se s experimentálním zařízením sloužícím k provedení deformačních experimentů se současným záznamem akustické emise (AE).
3) Seznámit se se softwarem sloužícímu k zpracování experimentálních dat (AEviewer, Noesis, Matlab, OriginLab).
4) Provést experimenty na zvolených slitinách. Zpracovat naměřená data z deformačních testů – vytvořit a časově korelovat deformační křivky a AE data (různé AE parametry)

Na výstupy projektu může navázat bakalářská/diplomová práce.

Komplexní výzkum deformační dynamiky s vysokým časovým a zobrazovacím rozlišením je v současnosti možné realizovat s využitím pokročilých in-situ metod. Mezi tyto metody patří obzvláště akustická emise (AE), digitální korelace obrazu (DIC) a rastrovací/transmisní elektronová mikroskopie. Záměrem projektu je kombinované využití zmíněných metod ke zkoumání vlivu materiálových parametrů (zvláště velikosti zrna) na mechanické vlastnosti vybraných hcp kovů a jejich slitin s cílem přispět k porozumění obecním aspektům deformace v hcp kovech.

Zásady pro vypracování:

1) Nastudovat základy elastické/plastické deformace hcp kovů (skluzové systémy, dvojčatění).
2) Seznámit se s experimentálním zařízením sloužícím k provedení deformačních experimentů se současným záznamem AE a DIC.
3) Seznámit se se softwarem sloužícímu k zpracování experimentálních dat (AEviewer, Noesis, Matlab, OriginLab).
4) Provést experimenty na zvolených vzorcích hcp kovů. Zpracovat naměřená data z deformačních testů – vytvořit a časově korelovat deformační křivky, AE data (různé AE parametry) a DIC mapy.

Na výstupy projektu může navázat bakalářská/diplomová práce.

Hořčíkové slitiny na bázi Mg-Zn-Ca představuje zajímavého kandidáta pro bio-aplikace z důvodu použití biokompatibilních legujících prvků a jejího nízkého modulu pružnosti blížícího se modulu pružnosti lidských kostí. V projektu se konkrétně použije tvářená slitina ZX10 (Mg-1 hm.% Zn – 0.25 hm.% Ca), která byla připravena zpětným protlačováním (indirect extrusion) a jejíž výsledná mikrostruktura (velikost zrna a textura) byla ovlivněna/řízená pomocí extruzních parametrů (teploty a rychlosti extruze). Předmětem projektu je základní charakterizace takto připravených stavů Mg slitiny pomocí světelné mikroskopie a studium vývoje mikrostruktur v průběhu plastické deformace (deformační testy) je realizováno měřením akustické emise (stanovení aktivity jednotlivých deformačních mechanismů).

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Navrhovaný projekt je zaměřen na studium fyzikálních aspektů deformačních mechanismů v Mg slitinách připravených rychlou solidifikací. Tyto hořčíkové slitiny s vysokou pevností a tažností mají vysoký potenciál k využití v dopravním průmyslu či biomedicíně.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie, měření mikrotvrdosti, deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

V projektu se využije nová komplexní metodologie, která kombinuje statistickou analýzu rozložení časových intervalů po sobě jdoucích událostí akustické emise (time series analysis) a shlukovou analýzu časových řad (adaptive sequential k-means (ASK) analysis). Akustická emise se zaznamená v průběhu plastické deformace hexagonálních kovů, kde pomocí statistických metod odhalíme dynamiku aktivních deformačních mechanismů a jejich vzájemnou korelaci.

Metody: statistické metody, měřeni akustické emise, deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

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.

Slitiny budou připraveny z elementárních prášků pomocí sintrování elektrickým proudem ve spolupráci s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR. Hlavní náplní studentského projektu je tepelné zpracování těchto slitin a jejich následná experimentální charakterizace pomocí mikroskopických metod a měření mikrotvrdosti. Cílem je seznámení řešitele se základními metodami studia materiálů a jeho zapojení do aktuálních výzkumných projektu na Katedře fyziky materiálů. Studentský projekt je dobrým východiskem pro následnou bakalářskou práci.

Předmětem výzkumu je studium nových biodegradabilních implantátů na bázi hořčíkových slitin s povrchovou vrstvou připravenou metodou PEO (plasma electrolytic oxidation). Hořčík patří mezi biokompatibilní materiály, které je lidské tělo schopné plně absorbovat a následně vyloučit bez jakýchkoliv následků. Hořčík má navíc i osteokonstruktivní vlastnosti, které ho společně s jeho vhodnými mechanickými vlastnostmi předurčují pro výrobu fixačních ortopedických implantátů. Významný problém při využití hořčíkových slitin pro tyto účely však představuje nedostatečná schopnost řídit rychlost a homogenitu degradace implantátu.

Rychlost degradace hořčíkového materiálu navrženého v tomto projektu bude kontrolovatelně snížená pomocí aplikace biodegradabilní vrstvy vyrobené pomocí PEO. Hlavní přínos této vrstvy spočívá v kontrolovatelném oddálení degradace hořčíkového materiálu, která ideálně nastane až po ukončení jeho funkce jako implantátu. Pro úspěšnou implementaci biodegradabilní ochranné vrstvy je nutné optimalizovat přípravu této vrstvy a najít korelaci mezi parametry přípravy a dobou degradace. To umožní připravovat tyto vrstvy na míru pro různé implantáty s různou dobou využití.

Řešitel/řešitelka bude v rámci projektu studovat strukturu PEO vrstev pomocí skenovací elektronové mikroskopie, které budou připravené na vybraných hořčíkových slitinách za pomocí různých parametrů přípravy. Projekt je možné rozšířit na bakalářskou nebo diplomovou práci.

Literatura:
[1] Lu et. al., Frontiers in Chem. Eng. 22, 2022, https://doi.org/10.3389/fceng.2022.748549

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

Hořčík jako nejlehčí strukturní kov je v současnosti intenzivně zkoumán pro široké spektrum aplikací zahrnující dopravu, osobní elektroniku, sportovní vybavení a také medicínu. Hořčík avšak krystalizuje v hexagonální těsně uspořádané mřížce, a proto je jeho deformační zpracování značně komplikované. Při pokojové teplotě je v tomto typu mřížky 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 silné textury. Silná textura je značně nevýhodná pro funkčnost výsledného materiálu, protože vede k anizotropii v mechanických vlastnostech. Jedna z možností, jak snížit sílu vzniklé textury je 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.

V rámci projektu bude zkoumán vliv jednotlivých prvků a jejich různá kombinace na mikrostrukturu, texturu a mechanické vlastnosti výsledné slitiny zpracované primárně pomocí extruze. Řešitel/řešitelka bude v rámci projektu zapojena do probíhajícího výzkumu a bude se aktivně podílet na přípravě vzorků, analýze mikrostruktury pomocí skenovací elektronové mikroskopie a analýze mechanických vlastností pomocí deformačních testů. Projekt je možné rozšířit na bakalářskou nebo diplomovou práci.

Literatura:
[1] Minárik et. al., Acta Materialia, 107, 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2015.12.050

Obr. 1: a) obrázek mikrostruktury slitiny Mg-Li-Y v odlitém stavu, pořízen skenovacím elektronovým mikroskopem a b) polykrystalická struktura slitiny Mg-Li-Y po extruzi zobrazená pomocí metody EBSD

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.

Navrhovaná práce je součásti projektu zaměřeného na vývoj nové generace hořčíkových slitin s vysokou pevností a tažností s potenciálním využitím v dopravním průmyslu či biomedicíně. Na základě získané informace o vztahu mezi mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi budou specifikovány nejperspektivnější materiály a způsoby optimalizace jejich přípravy.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie (SEM, TEM, EDX, EBSD), deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Cílové materiály jsou Mg slitiny obsahující fázi periodicky-vrstevnatě uspořádanou na dlouhou vzdálenost (angl. Long Period Stacking Ordered (LPSO) phase), a vrstevnaté poruchy se segregací příměsí. Charakterizace mikrostruktury v závislosti na složení materiálu a parametry zpracování bude provedena především elektronovou mikroskopií.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie, zejména vysokorozlišovací TEM/STEM

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Deformační dvojčatění je jedním z hlavních deformačních mechanismů v hexagonálních slitinách (Mg, Ti, Zr). Hlavním cílem navrhované práce je objasnit vznik a vývoj deformačních dvojčat pomocí pokročilých 2D a 3D pozorovacích metod s ohledem na chemické složeni slitin a jejich předchozí deformaci. Studium se zaměří zejména na nukleaci dvojčat, mobilitu dvojčatových hranic, jejich vzájemnou interakci s dislokačním skluzem.

Metody: 2D a 3D elektronová mikroskopie (2D a 3D SEM/EBSD), vysokorozlišovací TEM/STEM, vysokorychlostní snímaní (up to 5M fps), deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.