Hogyan készítsünk nanoszerkezetű fémes anyagokat makroszkópikus méretben ?

1. BAY-NANO Nanotechnológiai Kutatóintézet Hogyan készítsünk nanoszerkezetű fémes anyagokat makroszkópikus méretben ? Dr.Krállics György krallics@bznano.hu 53. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató

2. Az előadás fő pontjai • Bevezetés (mérethatás, nanoszerkezetű anyagok). • Tömbi nanoszerkezetű anyag előállítása porkohászati úton, intenzív képlékeny alakítással. • Laboratóriumi és üzemi gyártás. • Nanoszerkezetű félgyártmányok feldolgozása.

3. 1 cm 10 mm 10-2 m Gombostű feje 1-2 mm 21.Század kihívásai 1,000,000 nanométer = 10-3 m Hangya ~ 5 mm 1 milliméter (mm) Microwave Poratka 200 mm 0.1 mm 100 mm 10-4 m Légytojás ~ 10-20 mm Emberi haj ~ 10-50 mm 0.01 mm 10 mm Mikrovilág 10-5 m Infrared Vörösvértestek fehérvérsejt ~ 2-5 mm 1,000 nanométer = 10-6 m 1 mikrométer (mm) Visible 0.1 mm 100 nm 10-7 m Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl., fotoszintetikus reakciócentrumegy félvezető részecskével összekapcsolva Ultraviolet 0.01 mm 10 nm Nanovilág 10-8 m Nanocső tranzisztor Nanocső elektród ~10 nm átmérő ATP szintetáz 10-9 m 1 nanométer (nm) Soft x-ray DNS ~2-1/2 nm átmérő 10-10 m 0.1 nm Szén nanocső ~2 nm Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvel Korál átmérő 14 nm Mérettartomány Természet Emberkéz MikroElektroMechanikuseszköz 10 -100 mm Vörösvértest Pollen szemcse Röntgen-sugár “lencsék”gyűrűk távolsága ~35 nm Szilícium atomok

4. Nanoszerkezetek Legalább 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 2 m Si Nanoszálak Többfalú szén nanocső Si0.76Ge0.24 / Si0.84Ge0.16rács

5. 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

6. Porkohászati eljárás lépései

7. Nanoporok előállítása

8. Por tömörítő eljárások • Mechanikai ( kovácsolás, robbantás szobahőmérsékleten) • Termo-mechanikus Kovácsolás Meleg sajtolás Meleg izosztatikus sajtolás

9. Porkohászati módszerek előnyei, hátrányai

10. 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.

11. 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)

12. Nem- monotonitás értelmezése  - merev testszerű forgás -főalakváltozási irányok forgása

13. Különböző alakító eljárások –különböző NMM Nem-Monotonitás Mértéke () NMM Alakváltozás mértéke

14. Alakító eljárások Könyöksajtolás Equal channel angular pressing Aszimmetrikus hengerlés Asymmetrical rolling Nagynyomású csavarás High pressure torsion Többirányúalakítás Multiple forging

15. Kaliber hengerlés

16. Mi történik az anyag mikroszerkezetében az intenzív képlékeny alakításkor ?

17. Mechanikai tulajdonságok változása Grade 2 titán

18. Mechanikai tulajdonságok változása AlMgSi1

19. Mikroszerkezeti változások AlMgSi1 labor 50x50 m 2x2 m Grade 2 titán laboratóriumi üzemi

20. Titán rudak és implantátumok gyártása Hengerlés Hideghúzás  16x4000 mm nanotitán  70x2000 mm titán Grade 2 Implantátumok Biokompatibilitási vizsgálatok

21. 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.

22. Szuperképlékenység (SP) A szuperképlékeny anyagok olyanpolikristályos szilárd testek,amelyek nagymértékű egyenletes képlékeny alakváltozásra képesek, mielőtt a törés fellépne.Az ilyen jellegű anyagok szakítóvizsgálata során a próbatest hosszának változása általában meghaladja a200%-ot, de van több olyan anyag is, amelynek a hosszváltozása nagyobb mint 1000%. Az irodalomban publikált legnagyobb alakváltozások Pb-Sn eutektikus ötvözetre 7750%, míg alumíniumbronzanyagra 8000%.

23. 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.

24. Nanoszerkezet és SP kapcsolata • Alakváltozási sebesség nagyobb • Alakítási hőmérséklet kisebb mint a hagyományos szemcseméretű anyagoknál.