Egyensúlyi fázisdiagrammok számítása ESTPHAD módszerrel = Calculation of Equilibrium Phase Diagrams by ESTPHAD method

Az egyensúlyi fázisdiagramok igen jelentős része csak grafikusan ismert, vagy - egy csekély hányaduk -komplikált, igen hosszú CPU időt lekötő eljárással számítható ki. Ez a felismerés vezetett az ESTPHAD módszer és szoftver kidolgozásához. A módszer alapja az átalakulási hőmérsékletet leíró -termodinamikai összefüggésekből levezetett- egyenletek, melyekkel kiszámíthatók az átalakulások kezdő és befejező hőmérsékletei. A rendszer hierarhikus, azaz a többalkotós rendszerek egyenletei tartalmazzák az alacsonyabb rendű rendszerek állandóit. Az állandók mért, grafikusan ismert vagy valamely termodinamikai számításból kapott adatokból regresszióval határozhatók meg. A munka során 16 kétalkotós vas, 12 kétalkotós alumínium alapú, számos réz és nemesfém alapú kétalkotós rendszer vonalainak adatait dolgoztuk fel egészben vagy részben. A kétalkotós alumínium alapú ötvözetek adatait felhasználva 4 háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram alumínium sarkának likvidusz és szolidusz felületeinek az egyenleteit is meghatároztuk. Feldolgoztuk 6 binér, 4 ternér és egy kvaternér oxid rendszert is. A rendszer egyszerű felhasználása érdekében egy szabadon felhasználható szoftvert dolgoztunk ki. A szoftver alkalmas az adatbázisban való keresésre, valamint lehetőség nyílik olyan szoftver részek letöltésére, amelyeket a szimulációs programba építve bárki ki tudja számítani az egyensúlyi fázisdiagramok adatait. A szoftver és az adatbázis a www.matsci.uni-miskolc.hu/estphad honlapról szabadon letölthető. | The majority of phase equilibria are known only in graphically presented phase diagrams. Alternatively, it can be computed using a so-called Calphad method. The latter, however, requires long CPU times for the numerical solution. This situation lead us to the idea to develop a new method and a computer code called Estphad. The method is based on thermodynamically derived equations. The Estphad system is hierarchically built. The coefficients of Estphad can be obtained by regression analysis, using measured data, graphical phase diagram, or data obtained by a Calphad computer code. Equilibrium lines of 16 binary iron-, 12 binary aluminum-based, and a number of binary copper-based and precocious metal-based systems have been evaluated. Using the data obtained for the binary aluminum-based alloys, equations, describing the solidus and liquidus surfaces in the Al-corners of four ternary aluminum based systems have been obtained, as well. Additionally six binary, four ternary and one quaternary oxide phase diagrams have been calculated. To ensure a simple and widespread use of our new Estphad system, an open computer code has been developed. The code let anyone to search in the existing database. Also, one can download specific fragments of the code, which can be useful as sub-routines in larger simulation programs to calculate phase equilibrium data. The code and the existing database can be downloaded free of charge from the website www.matsci.uni-miskolc.hu/estphad

Nanocsövek előállítása, szerkezete és tulajdonságai = Preparation, structure, and properties of nanotubes

A kutatások célja a szén nanocsövek elektrokémiai úton történő előállítása során keletkező termék tulajdonságainak és a technológiai paraméterek közötti összefüggések kimutatása volt. A gyártási paraméterek között a szén katód alapanyagának morfológiája, a só olvadék összetétele, a hőmérséklet, valamint az elektrokémiai művelet paraméterei (áramsűrűség, potenciál, az elektrolízishez szükséges idő) bizonyultak lényegesnek. Az előállítási műveletekkel kapcsolatban megvizsgáltuk az elektrokémiai fémleválasztás kinetikáját is, amely a nanocső szintézis jobb megértését eredményezte. A nanocsöveket tartalmazó termék megtisztítása és az ehhez a lépéshez szükséges eljárások tanulmányozása képezte második feladatot. Tanulmányoztuk azokat a tisztítási módszereket is, amelyek segítségével a nanocsövek felülete módosítható. A nanocsöveket tartalmazó készítményt alagúteffektuson alapuló mikroszkópos vizsgálatoknak vetettük alá, és a pásztázó tűszondás mikroszkóppal meghatároztuk a csövek méretét, alakját, az egyes típusokba sorolt csövek gyakoriságát. A kísérleti eredményeket statisztikai módszerekkel értékeltük ki. A vizsgálatokat elméleti számításokkal egészítettük ki, amelyek célja annak megállapítása volt, hogy a különböző osztályokba sorolható nanocsövek mennyire stabilak. E vizsgálatok céljából több módszerrel is meghatároztuk a csövek aromás jellegét. | The main aim of this research was to determine the correlation between the parameters of the electrolysis and the experimental properties of the carbon nanotubes. The most important parameters, which could affect the quality of the nanotubes were found to be the morphology of the carbon cathode, the composition of the molten salt, the temperature and the parameters of the electrolysis itself (current density, applied potential, and the time period of electrolysis). In connection with these tasks we also studied the mechanism of metal deposition, which yielded new information on the formation of nanotubes. The second object of these investigations was the purification of nanotubes and the necessary steps needed to accomplish this task. Probes containing nanotubes were be investigated by using scanning-tunneling and atomic force microscopes. These investigations revealed the distribution of the various shapes, and thickness of the tubes. The experimental data were evaluated by using statistical methods. Experimental investigations were completed by theoretical calculations. The aim of these investigations was to determine the stability of various types of nanotubes

Határfelületi energiák és jelenségek vizsgálata fémolvadék fázist tartalmazó rendszerekben = Study of interfacial energies and phenomena in systems containing liquid metals

A 4-éves projekt célja határfelületi energiák, erők és jelenségek vizsgálata volt fémolvadék fázist tartalmazó rendszerekben, melynek keretein belül részben kísérleti, részben elméleti munkát végeztünk. A munka eredményeiből 17 impakt faktoros folyóiratcikk jelent meg, melyekre a mai napig 42 független hivatkozást kaptunk. A kísérleti munka során a. sóolvadékban vizsgáltuk kerámiaszemcsék fém titánnal való felületi bevonásának lehetőségét, b. fémolvadékok felületi feszültségét és peremszögét mértük kerámiákon, c. felületi fémmátrixú kompozitot állítottunk elő lézeres felületkezeléssel. A projekt keretein belül kidolgozott elméleti modellek típusai: a. határfelületi (és innen származtatott) anyagtulajdonságok modellezése: fémolvadékok felületi feszültsége, kohéziós energiája, viszkozitása, egyéb határfelületi energiák, ezek koncentrációfüggése, különös tekintettel a felületi fázisátalakulásra, b. határfelületi erők modellezése: közös, általános képlet és algoritmus megalkotása - egyszerűsített geometriákra a hat, különböző határfelületi erő képletének levezetése, c. komplex határfelületi jelenségek modellezése, úgymint kristályfront - kerámiaszemcse kölcsönhatás, szemcse -fémolvadékfelület dinamikai kölcsönhatása, fémolvadék infiltráció különböző morfológiájú preformákba, szemcsékkel erősített fémmátrixú kompozitok, illetve szemcsékkel stabilizált fémhabok és fémemulziók stabilitása. | The goal of the 4-year project was to study interfacial energies, forces and phenomena in systems, containing a liquid metallic phase. 17 papers in journal with impact factors have been published, with total 42 independent references obtained so far. Experimentally the following subjects were covered: i. the possibility to coat ceramic particles by metallic titanium from molten salt was investigated, ii. surface tension of liquid metals and their contact angle on ceramic plates were measured, iii. a surface composite material was produced by a Laser Melt Injection technique. Theoretically the following types of models were developed: i. modeling interfacial (and related) properties, such as surface tension, other interfacial energies, cohesion energy and viscosity of liquid metals, their concentration dependence, with emphasis on surface phase transition, ii. modeling interfacial forces - the derivation of a most general equation and algorithm top derive interfacial forces, and the derivation of equation (for simplified geometries) for the 6 types of interfacial forces, iii. modeling complex interfacial phenomena, including the interaction of a solidification from with particles, dynamic interaction of particles with liquid surfaces, infiltration of liquid metals into preforms of different morphologies, stability of particle reinforced metal matrix composites, particles stabilized metallic foams and emulsions

Designing the color of hot-dip galvanized steel sheet through destructive light interference using a Zn-Ti liquid metallic bath

The color of hot-dip galvanized steel sheet was adjusted in a reproducible way using a liquid Zn-Ti metallic bath, air atmosphere, and controlling the bath temperature as the only experimental parameter. Coloring was found only for sample s cooled in air and dipped into Ti-containing liquid Zn. For samples dipped into a 0.15 wt pct Ti-containing Zn bath, the color remained metallic (gray) below a 792 K (519 C) bath temperature; it was yellow at 814 K, violet at 847 K, and blue at 873 K. With the increasing bath temperature, the thickness of the adhered Zn-Ti layer gradually decreased from 52 to 32 micrometers, while the thickness of the outer TiO2 layer gradually increased from 24 to 69 nm. Due to small Al contamination of the Zn bath, a thin (around 2 nm) alumina-rich layer is found between the outer TiO2 layer and the inner macroscopic Zn layer. It is proven that the color change was governed by the formation of thin outer TiO2 layer; different colors appear depending on the thickness of this layer, mostly due to the destructive interference of visible light on this transparent nano-layer. A complex model was built to explain the results using known relationships of chemical thermodynamics, adhesion, heat flow, kinetics of chemical reactions, diffusion, and optics

The chemical (not mechanical) paradigm of thermodynamics of colloid and interface science

In the most influential monograph on colloid and interfacial science by Adamson three fundamental equations of “physical chemistry of surfaces” are identified: the Laplace equation, the Kelvin equation and the Gibbs adsorption equation, with a mechanical definition of surface tension by Young as a starting point. Three of them (Young, Laplace and Kelvin) are called here the “mechanical paradigm”. In contrary it is shown here that there is only one fundamental equation of the thermodynamics of colloid and interface science and all the above (and other) equations of this field follow as its derivatives. This equation is due to chemical thermodynamics of Gibbs, called here the “chemical paradigm”, leading to the definition of surface tension and to 5 rows of equations (see Graphical abstract). The first row is the general equation for interfacial forces, leading to the Young equation, to the Bakker equation and to the Laplace equation, etc. Although the principally wrong extension of the Laplace equation formally leads to the Kelvin equation, using the chemical paradigm it becomes clear that the Kelvin equation is generally incorrect, although it provides right results in special cases. The second row of equations provides equilibrium shapes and positions of phases, including sessile drops of Young, crystals of Wulff, liquids in capillaries, etc. The third row of equations leads to the size-dependent equations of molar Gibbs energies of nano-phases and chemical potentials of their components; from here the corrected versions of the Kelvin equation and its derivatives (the Gibbs-Thomson equation and the Freundlich-Ostwald equation) are derived, including equations for more complex problems. The fourth row of equations is the nucleation theory of Gibbs, also contradicting the Kelvin equation. The fifth row of equations is the adsorption equation of Gibbs, and also the definition of the partial surface tension, leading to the Butler equation and to its derivatives, including the Langmuir equation and the Szyszkowski equation. Positioning the single fundamental equation of Gibbs into the thermodynamic origin of colloid and interface science leads to a coherent set of correct equations of this field. The same provides the chemical (not mechanical) foundation of the chemical (not mechanical) discipline of colloid and interface science