Hogyan készítsünk nanoszerkezetű fémes anyagokat makroszkópikus méretben ?
description
Transcript of 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 Gyö[email protected]@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.