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

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

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

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 / Si0.84Ge0.16 rács

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 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 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 Aszimmetrikus hengerlés Equal channel angular pressing Aszimmetrikus hengerlés Asymmetrical rolling Nagynyomású csavarás High pressure torsion Többirányú alakítás Multiple forging

Kaliber hengerlés

Mi történik az anyag mikroszerkezetében az intenzív képlékeny alakításkor ?

Mechanikai tulajdonságok változása Grade 2 titán

Mechanikai tulajdonságok változása AlMgSi1

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

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

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.