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Morphology and structure of TixOy nanoparticles generated by femtosecond laser ablation in water
(2018)
In this work femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated byXRD(two instruments operated in different geometries) and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Commercial grade-1 titanium samples (Ti, 99.6%) were treated using three alternative methods, (i) femtosecond laser processing, (ii) thermal heat treatment, and (iii) electrochemical anodization, respectively, resulting in the formation of differently conditioned superficial titanium oxide layers. The laser processing (i) was carried out by a Ti:sapphire laser (pulse duration 30 fs, central wavelength 790 nm, pulse repetition rate 1 kHz) in a regime of generating laser-induced periodic surface structures (LIPSS). The experimental conditions (laser fluence, spatial spot overlap) were optimized in a sample-scanning setup for the processing of several square-millimeters large surface areas covered homogeneously by these nanostructures. The differently oxidized titanium surfaces were characterized by optical microscopy, micro Raman spectroscopy, variable angle spectroscopic ellipsometry, and instrumented indentation testing. The tribological performance was characterized in the regime of mixed friction by reciprocating sliding tests against a sphere of hardened steel in fully formulated engine oil as lubricant. The specific tribological performance of the differently treated surfaces is discussed with respect to possible physical and chemical mechanisms.
A femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated by XRD(two instruments operated in different geometries) and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.