Kuidas määrata materjalide koostist?

Kõiki sobivaid materjale ei ole siiski tihti võimalik Eestist saada ning seetõttu peavad ettevõtted puuduvad materjalid kuskilt välisriigist, näiteks Hiinast, soodsa hinnaga sisse ostma.

Sõltumata aga sellest, millisest riigist need materjalid lõpuks tellitakse, ei saa ettevõte kunagi kindel olla nende kvaliteedis. Seetõttu tuleb mõnikord enne suurema partii tellimist teha täiendavad materjalide uuringud.

Alustada võib elementanalüüsiga. Kuidas aga uurida erinevate materjalide koostist?

Röntgenkiirgusel on uurimiseks piisavalt energiat

Materjalide elemendilise koostise määramiseks on mitmeid meetodeid, kuid kõikide puhul tuleb uuritavat materjali kuidagi ergastada. Näiteks elektromagnetkiirguse või kiirendatud osakestega.

Üheks kõige levinumaks meetodiks on röntgenfluorestsents-spektroskoopia (XRF), mille korral kiiritatakse katseobjekti röntgenkiirgusega ning uuritakse materjalist väljatulevaid signaale.

Nimelt on röntgenkiirgusel piisavalt energiat, et ergastada uuritava materjali aatomeid, lüües nende küljest välja sisekihi elektrone. Selle tulemusena jäävad aatomite sisekihtidesse vakantsid ehk tühimikud, mis täidetakse üsna kiiresti välimistel kihtidel asuvate elektronide poolt. Seda protsessi nimetatakse relaksatsiooniks ning sellekäigus vabaneb elektromagnetkiirgus, mille energia ehk lainepikkus sõltub otseselt aatomist.

Erinevate detektorite abil on võimalik määrata, millise intensiivsuse ja energiaga elektromagnetkiirgus väljub katseobjektist pärast röntgenkiirgusega ergastamist ning arvutada välja uuritava materjali täpne koostis. Röntgenfluorestsents-spektroskoopia sobib ideaalselt olukorraks, kus on vaja määrata võimalikult kiiresti ja suure täpsusega mingi materjali keskmine elemendiline koostis mitme ruutmillimeetri kuni mitme ruutsentimeetri suurusel alal.

Täpsemateks uuringuteks kasutatakse seejuures suuremaid ja võimsamaid laboratoorseid seadmeid, mis võtavad enda alla mitmeid ruutmeetreid labori pinda.

Tööstuses piisab väiksema täpsusega uuringuteks sageli rutiinsest analüüsist ja sellisteks rakendusteks on välja töötatud miniatuursed ja lausa käes hoitavad analüsaatorid.

Kõrgtehnoloogilised meetodid paljastasid kohutava tõe

Elementanalüüsist võib aga mõnikord jääda väheks ja sellistel juhtudel tuleb materjalide kvaliteedi hindamiseks uurida täpsemalt viimaste mikrostruktuuri. Näiteks pöördus hiljuti Tartu Ülikooli materjaliteadlaste poole oma probleemiga ettevõte Titans OÜ, kes soovis teada, kas välismaalt tellitud titaani-alumiiniumi sulam sobib kasutamiseks konkreetses rakenduses.

Rutiinne elementanalüüs näitaski juba alguses, et tegu on enam-vähem õige koostise sulamiga, kuid selles oli kahtlaselt suur hapniku kontsentratsioon. Niisiis viidi läbi täiendavad uuringud, kus esmalt tehti materjali sisse fookustatud ioonkiire abil terava servaga auk ning uuriti ristlõiget küljelt. Seda nii kõrglahutus-skaneeriva elektronmikroskoopiaga kui ka elementide kaardistamisega energiadispersiivse analüsaatori abil.

Antud uuringud kõrgtehnoloogiliste meetoditega paljastasid materjali kohta kohutava tõe – nimelt oli kvaliteetse sulami asemel tegu hoopiski titaani ja alumiiniumi pulbritest kokku pressitud materjaliga, kus mõlemad komponendid olid endiselt üksteisest selgesti eristatavad ja eraldatud oksiidikihi ning mikromõradega. See tähendas, et antud sulamit ei oleks ettevõte kuidagi saanud kasutada soovitud detailide valmistamiseks. Tänu uuringutele vältis ettevõte juba alguses suurt kahju ja sai võimaluse leida endale uus partner materjalide sisseostuks.

Analüüs näitas materjali sobivust hambaimplantaadi tegemiseks

Teine näide, kus kasutati skaneerivat elektronmikroskoopiat (SEM) pinnauuringuteks ning lokaalseks elementanalüüsiks, on koostöö materjaliuuringuid korraldava Tartu Ülikooli spin-off ettevõtte Captain Corrosion OÜ ning Biometric OÜ vahel. Nimelt soovis Biometric uurida välismaalt sisseostetud titaanisulamite kvaliteeti, et valmistada Eestis kaasaegseid kõrgtehnoloogilisi hambaimplantaadi komponente.

Captain Corrosioni poolt korraldatud uuringud skaneeriva elektronmikroskoopiaga näitasidki, et tegu oli kvaliteetse meditsiinilise titaaniga, mis sobib ideaalselt antud rakenduse jaoks. Lisaks sellele tehti ka kõrglahutusega elektronmikroskoobi pilte ühe maailma parima hambaimplantaadi erilise töötlusega pinnast, mis tagab implantaadi suurepärase ühilduvuse inimorganismiga.

Materjaliuuring annab konkurentsieelise

Kokkuvõtteks võib öelda, et materjalide uuringud kaasaegsete seadmetega võimaldavad ettevõtetel valida välja parimad materjalid erinevate komponentide valmistamiseks. See tagab hiljem ärimaailmas suure eelise konkurentide ees. Sellisete uuringute kohta saab küsida nii ülikoolide esindajatelt kui ka vastavaid uuringuid korraldavatelt ülikoolide spin-off ettevõtetelt.

Autor: Maido Merisalu, Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi kiletehnoloogia labori insener, doktorant