BAYNANO Nanotechnolgiai Kutatintzet Hogyan ksztsnk nanoszerkezet fmes anyagokat
BAYNANO Nanotechnológiai Kutatóintézet Hogyan készítsünk nanoszerkezetű fémes anyagokat makroszkópikus méretben ? Dr. Krállics György krallics@bznano. hu 53. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató 1
Az előadás fő pontjai l l Bevezetés (mérethatás, nanoszerkezetű anyagok). Tömbi nanoszerkezetű anyag előállítása porkohászati úton, intenzív képlékeny alakítással. Laboratóriumi és üzemi gyártás. Nanoszerkezetű félgyártmányok feldolgozása. 2
Mérettartomány Természet 10 -2 m Emberkéz 1 cm 10 mm Gombostű feje 1 -2 mm Hangy a ~ 5 mm Poratka 0. 1 mm 100 m 10 -5 m 0. 01 mm 10 m Infrared Vörösvértestek fehérvérsejt ~ 2 -5 m 10 -4 m -6 10 m ~10 nm átmérő 1, 000 nanométer = 1 mikrométer ( m) 10 -8 m 21. Század kihívásai Pollen szemcse Röntgen-sugár “lencsék” gyűrűk távolsága ~35 nm 0. 1 m 100 nm Ultraviolet Nanovilág 10 -7 m Mikro. Elektro. Mechanikus eszköz 10 -100 m Vörösvértest Visible Légytojás ~ 10 -20 m Mikrovilág 200 m Emberi haj ~ 10 -50 m 1, 000 nanométer = 1 milliméter (mm) Microwave 10 -3 m 0. 01 m 10 nm Nanocső elektród Nanocső tranzisztor Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl. , fotoszintetikus reakciócentrum egy félvezető részecskével összekapcsolva ATP szintetáz 10 -9 m Soft x-ray 1 nanométer (nm) DNS ~2 -1/2 nm átmérő -10 Szilícium atomok 10 m 0. 1 nm 3 Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvel Korál átmérő 14 nm Szén nanocső ~2 nm
Nanoszerkezetek Legalább egy dimenzió 1 -100 nm között l l 2 -D szerkezetek l Vékonyfilmek l Kvantum lyukak l Rácsok 1 -D szerkezetek l Nanoszálak l Nanorudak l Nanocsövek 0 -D szerkezetek l Nanorészecskék l Kvantum pöttyök 3 -D szerkezetek: l Tömbi nanokristályos anyagok l Nanokompozitok 2 m Si Nanoszálak Többfalú szén nanocső 4 Si 0. 76 Ge 0. 24 / Si 0. 84 Ge 0. 16 rács
Hogyan lehet tömbi nanoszerkezetű anyagot előállítani ? l l Porkohászati technológiával Intenzív képlékeny alakítással (severe plastic deformation, SPD) Mindkét esetben nagy szilárdságú anyag állítható elő a szemcse (részecske) méret csökkentésével Re=Re 0+kd-1/2
Porkohászati eljárás lépései
Nanoporok előállítása
Por tömörítő eljárások l l 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 feszültség állapotban. Az anyag nem reped, a kezdeti szemcseszerkezet ultra-finomszemcsésre (UFSZ), nanoszemcsésre (NSZ) transzformálódik. Egytengelyű húzás-nyomás (monoton alakváltozás) Egyszerű nyírás (csavarás) (nem-monoton alakváltozás)
Nem- monotonitás értelmezése - merev testszerű forgás - főalakváltozási irányok forgása
Különböző alakító eljárások –különböző NMM Nem-Monotonitás Mértéke ( ) NMM Alakváltozás mértéke
Alakító eljárások Könyöksajtolás Equal channel angular pressing Aszimmetrikus hengerlés Nagynyomású csavarás High pressure torsion Többirányú alakítás Multiple forging Asymmetrical rolling
Kaliber hengerlés
Mi történik az anyag mikroszerkezetében az intenzív képlékeny alakításkor ?
Mechanikai tulajdonságok változása Grade 2 titán
Mechanikai tulajdonságok változása Al. Mg. Si 1
Mikroszerkezeti változások Al. Mg. Si 1 labor 50 x 50 m 2 x 2 m Grade 2 titán üzemi laboratóriumi
Titán rudak és implantátumok gyártása Hengerlés Hideghúzás 70 x 2000 mm titán Grade 2 16 x 4000 mm nanotitán Implantátumok Biokompatibilitási vizsgálatok 20
Miért az ötvözetlen titán ? l l l 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, 5 x. Tm, ahol Tm az adott anyag olvadáspontja Kelvin fokban.
Nanoszerkezet és SP kapcsolata Alakváltozási sebesség nagyobb l Alakítási hőmérséklet kisebb mint a hagyományos szemcseméretű anyagoknál. l
- Slides: 24