Hogyan készítsünk nanoszerkezetű fémes anyagokat makroszkópikus méretben ?

1

Hogyan készítsünk Hogyan készítsünk nanoszerkezetű fémes anyagokat nanoszerkezetű fémes anyagokat

makroszkópikus méretben ?makroszkópikus méretben ?

Dr.Krállics GyörgyDr.Krállics Györgykrallics@bznano.hukrallics@bznano.hu

BAY-NANONanotechnológiai

Kutatóintézet

53. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató

2

Az előadás fő pontjaiAz előadás fő pontjai

Bevezetés (mérethatás, nanoszerkezetű anyagok).

Tömbi nanoszerkezetű anyag előállítása porkohászati úton, intenzív képlékeny alakítással.

Laboratóriumi és üzemi gyártás. Nanoszerkezetű félgyártmányok

feldolgozása.

3DNS

~2-1/2 nm átmérő

Természet Emberkéz

MikroElektroMechanikus eszköz10 -100 m

Vörösvértest

Pollen szemcse

Légytojás~ 10-20m

Szilícium atomok

Gombostű feje1-2 mm

Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvelKorál átmérő 14 nm

Emberi haj~ 10-50m

Vörösvértestekfehérvérsejt

~ 2-5 m

Hangya~ 5 mm

Poratka

200 m

ATP szintetáz

~10 nm átmérő Nanocső elektród

Szén nanocső~2 nm

Nanocső tranzisztor

O O

O

OO

O OO O OO OO

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

PO

O

21. Század kihívásai

Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl., fotoszintetikus reakciócentrum egy félvezető részecskével összekapcsolva

Mik

rovi

lág

0.1 nm

1 nanométer (nm)

0.01 m10 nm

0.1 m100 nm

1 mikrométer (m)

0.01 mm10 m

0.1 mm100 m

1 milliméter (mm)

1 cm10 mm

10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

Visi

ble

Nan

ovi

lág

1,000 nanométer = In

frar

edU

ltrav

iole

tM

icro

wav

eSo

ft x-

ray

1,000,000 nanométer =

Röntgen-sugár “lencsék”gyűrűk távolsága ~35 nm

Mérettartomány

4

NanoszerkezetekLegalább egy dimenzió 1-100 nm között

2-D szerkezetek Vékonyfilmek Kvantum lyukak Rácsok

1-D szerkezetek Nanoszálak Nanorudak Nanocsövek

0-D szerkezetek Nanorészecskék Kvantum pöttyök

3-D szerkezetek: Tömbi nanokristályos anyagok Nanokompozitok

Si0.76Ge0.24 / Si0.84Ge0.16 rács

2 m

Si Nanoszálak

Többfalú szén nanocső

Hogyan lehet tömbi nanoszerkezetű anyagot előállítani ?

Porkohászati technológiával Intenzív képlékeny alakítással (severe

plastic deformation, SPD)

Mindkét esetben nagy szilárdságú anyag állítható elő a szemcse (részecske) méret csökkentésével

Re=Re0+kd-1/2

Porkohászati eljárás lépései

Nanoporok előállításaNanoporok előállítása

Por tömörítő eljárások

Mechanikai ( kovácsolás, robbantás szobahőmérsékleten)

Termo-mechanikus

Kovácsolás Meleg sajtolás Meleg izosztatikus sajtolás

Porkohászati módszerek előnyei, hátrányai

Nano-alakítás osztály a BAY-NANO-ban

• Fémes anyagú rudak, lemezek (makroszkópikus méretű félgyártmányok) laboratóriumi és üzemi képlékeny alakító gyártása.

• A félgyártmányok tulajdonságai változnak a gyártás során.

• A termékek tovább feldolgozásra kerülnek.

Milyen elvek szerint történik a gyártás ?

Az intenzív képlékeny alakítás (SPD) módszerét alkalmazzuk.Nagymértékű nyíró alakváltozás, hidrosztatikus feszültségállapotban. Az anyag nem reped, a kezdeti szemcseszerkezetultra-finomszemcsésre (UFSZ), nanoszemcsésre (NSZ)transzformálódik.

Egytengelyű húzás-nyomás (monoton alakváltozás)

Egyszerű nyírás (csavarás)(nem-monoton alakváltozás)

Nem- monotonitás értelmezése

Ωω=β

Ωω=β

dt

tβ=μ0

- merev testszerűforgás- főalakváltozásiirányok forgása

NMM Nem-MonotonitásMértéke ()

Különböző alakító eljárások –különböző NMM

Alakváltozás mértéke

Alakító eljárások

KönyöksajtolásEqual channel angular pressing

Nagynyomású csavarásHigh pressure torsion

Aszimmetrikus hengerlésAsymmetrical rolling

Többirányú alakítás

Multiple forging

Kaliber hengerlés

Mi történik az anyag mikroszerkezetében az intenzív képlékeny alakításkor ?

Mechanikai tulajdonságok változása

0

20

40

60

80

100

0

200

400

600

800

1000

rúdhúzáshengerlés laborban

hengerlés üzemben

alapanyag

Z

Rp0,2 [MPa]

Rm [MPa]

Z [%]

Wc [J/cm3]

Grade 2 titán

Mechanikai tulajdonságok változása

AlMgSi1

Mikroszerkezeti változások

AlMgSi1labor

50x50 m 2x2 m

Grade 2titán

üzemi laboratóriumi

20

Titán rudak és implantátumok gyártásaTitán rudak és implantátumok gyártása

70x2000 mm titán Grade 2

Hengerlés

16x4000 mm nanotitán

Implantátumok

Biokompatibilitásivizsgálatok

Hideghúzás

Miért az ötvözetlen titán ?

Alapállapotban kis szilárdságú, SDP hatására jelentős szilárdságnövelés –hasonló az ötvötött titánhoz (Al, V).

Ötvözök metallózist okozhatnak . Tiszta titán jobb, nem terheli a szervezetet, jó

biokompatibilitás.

Szuperképlékenység (SP)A szuperképlékeny anyagok olyan polikristályos szilárd testek, amelyek nagymértékű egyenletes képlékeny alakváltozásra képesek, mielőtt a törés fellépne. Az ilyen jellegű anyagok szakítóvizsgálata során a próbatest hosszának változása általában meghaladja a 200%-ot, de van több olyan anyag is, amelynek a hosszváltozása nagyobb mint 1000%. Az irodalomban publikált legnagyobb alakváltozások Pb-Sn eutektikus ötvözetre 7750%, míg alumíniumbronz anyagra 8000%..

Szuperképlékenység feltétele

A szuperképlékenység jelensége fellép, ha a szemcsenagyság kisebb, mint 10µm, az alakváltozási sebesség a 10-4-10-1/s intervallumba esik, és a hőmérséklet nagyobb mint 0,5xTm, ahol Tm az adott anyag olvadáspontja Kelvin fokban.

Nanoszerkezet és SP kapcsolata

Alakváltozási sebesség nagyobb Alakítási hőmérséklet kisebb

mint a hagyományos szemcseméretű anyagoknál.