docReferat_K.J. Kurzydłowski_Perspektywy rozwoju nanomateriałów
download 
Reklamacja Transkrypt
Referat_K.J. Kurzydłowski_Perspektywy rozwoju nanomateriałów
MATERIALS DESIGN DIVISION Perspektywy rozwoju nano-materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych Krzysztof J. Kurzydłowski Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej Nanotechnologia PL 14 września 2010 MATERIALS DESIGN DIVISION Nano-materiały Zbudowane z elementów o rozmiarach nanometrycznych (1 – 100 nm) Nano-ziarna Nano-warstwy Nano-cząstki MATERIALS DESIGN DIVISION Nano-wydzielenia Nano-wydzielenia stref GP w stopie CuCrZr Nano-wydzielenia Y2O3 w stali ferrytycznej Nano-wydzielenie fazy Al3Li w stopie Al-Li MATERIALS DESIGN DIVISION Nanorurki węglowe Nanorurki węglowe Nić pajęcza Nici pajęcze na ludzkim włosie MATERIALS DESIGN DIVISION Nano cząstki Au HR STEM image HR STEM image MATERIALS DESIGN DIVISION Konsekwencje nano-wymiarów Duża powierzchnia właściwa: powierzchni swobodnej granic międzyfazowych granic ziaren MATERIALS DESIGN DIVISION Konsekwencje nano-wymiarów Powierzchnia właściwa granic 10mm 10mm 3mm S=150m 2 2nm MATERIALS DESIGN DIVISION Konsekwencje nano-wymiarów • • • • • • Vv – ułamek objętości, D – średnica, Nv – gęstość, L – odległość L ≈ (Vv) -1/3D, dla Vv=0,1% → L=10 D D=10 nm → L 100 nm; Nv ≈α D-3 Nv(10 nm) = 106 (1 mikron) MATERIALS DESIGN DIVISION Konsekwencje nano-wymiarów H.Gleiter , Acta Materialia 48, 2000, p. 1-29 • Sferyczne kryształy nano-żelaza J. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p. 12142 Udział objętościowy atomów w granicach ziaren w funkcji wielkości ziarna przy założeniu grubości granicy od 0.5 do 1.0 nm Specyficzne właściwości atomów powierzchniowych MATERIALS DESIGN DIVISION • Większe powinowactwo do innych atomów • Zmienione odległości międzyatomowe • Zwiększona objętość właściwa • Gęstość stanów elektronowych • Zmienione rozkład spinów magnetycznych MATERIALS DESIGN DIVISION Granica ziarna w aluminium Moduł sprężystości granicy ziarna Objętość właściwa granicy ziarna Relaksacja atomów powierzchniowych MATERIALS DESIGN DIVISION Relaksacja warstw atomowych na granicy ziaren w aluminium MATERIALS DESIGN DIVISION MATERIALS DESIGN DIVISION Konsekwencje nano-wymiarów • Segregacja atomów do granic • Segregacja zanieczyszczeń i dodatków stopowych • Większa dyfuzyjność – dyfuzja po granicach • Większy opór odkształcenia plastycznego MATERIALS DESIGN DIVISION Wzrost wytrzymałości MATERIALS DESIGN DIVISION Projektowanie nano-metali str en gth 200 mm Microcrystalline d > 1 µm Hall-Petch relationship σ y = σ0 + k ⋅d − 1 2 Ultra-fine grained d < 1 µm Nanocrystalline d < 100 nm MATERIALS DESIGN DIVISION Wyciskanie hydrostatyczne Wysokie ciśnienie Duże odkształcenia Niezwykle duże szybkości procesu Efekty przemiany adiabatycznej MATERIALS DESIGN DIVISION Średnia wielkość krystalitów (ziaren) w metalach poddanych wyciskaniu hydrostatycznemu HE Ti HPT ECAP Ni Fe Cu Al alloys 0 100 200 300 400 grain size [nm] 500 600 700 Kompozyty żywica epoksydowa/nanorurki MATERIALS DESIGN DIVISION MATERIALS DESIGN DIVISION Przewodność osnowy polimerowej Teflon Przewodność [S/m] Perkolacja Kwarc śywica M21 Szkło Woda morska CFRP laminaty Włókna węglowe • • • • • • • • CNT Miedź Metale Aluminium Srebro Grafit Sadza Proszki metalowe Powierzchniowo metalizowane proszki Proszkowe półprzewodniki polimerowe http://www.dlr.de/fa/Portaldata/17/Resources/dokumente/institut/wissenschaftstag_2008/Edelmann.pdf „Firring on all cylinders”, MATERIALS WORLD, October 2007 p. 24-25 Brak perkolacji MATERIALS DESIGN DIVISION Nano-cząstki SiO2 w spoiwach formierskich Ludox SK Ludox AM MATERIALS DESIGN DIVISION Wielkość i rozkład wielkości nano-cząstek w spoiwie 18 d2śr = 16,16nm Aśr = 228,22nm dmax/d2 = 1,23 16 C z es toś ć [% ] 14 12 10 8 6 4 2 0 0,5 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 36 Ś re dnic a d2 [nm] HRTEM HRSEM MATERIALS DESIGN DIVISION Liczba publikacji 2500 number of publications 2000 1500 1000 500 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 year 2006 2007 2008 2009 MATERIALS DESIGN DIVISION Liczba patentów MATERIALS DESIGN DIVISION Finansowanie MATERIALS DESIGN DIVISION Podsumowanie (1) • Nano-materiały – moda czy trwała tendencja • Z pewnością także moda – tematy badawcze są „zaraźliwe” • Przede wszystkim jednak obiektywnie ważny kierunek rozwoju współczesnej techniki • Bazujący na możliwości kontrolowania zjawiska w skali atomowej MATERIALS DESIGN DIVISION STEM z korekcją aberracji sferycznej Hitachi HD-2700 • • • • • • • • • Napięcie przyspieszające 200kV Rozdzielczość obrazów TEM 0.14 nm Powiększenia 100 – 10 000 000 x Działo z emisją polową Shottky’ego Korektor aberracji sferycznej Detektory – SE, TE, HAADF Spektrometr EDS Spektrometr EELS Kamera CCD MATERIALS DESIGN DIVISION STEM z korekcją aberracji sferycznej Hitachi HD-2700 W Al SiOx Si amoprhous Si single crystal MATERIALS DESIGN DIVISION STEM z korekcją aberracji sferycznej Hitachi HD-2700 Analiza chemiczna w nano-skali Mikroskop Jonowy (FIB) Hitachi FB-2100 Accelerating voltage 10 - 40 kV Maximum beam current 40 nA at 40 kV Maximum beam current density 25A/cm2 at 40 kV Image resolution 6 nm or better at 40 kV Ion source Liquid gallium • • • • • • MATERIALS DESIGN DIVISION Milling and deposition on submicron scale Secondary electron imaging Mill or deposit user defined patterns TEM sample preparation Device modification and fabrication Deposition of metals MATERIALS DESIGN DIVISION Podsumowanie (2) • Zainteresowanie nano-materiałami nie powinno prowadzić do „nano-izmu” • Materiały mają budowę hierarchiczną a ich właściwości kształtowane są na w wielu skalach wymiarowych MATERIALS DESIGN DIVISION Perspektywy w Polsce • Względnie mała luka technologiczna w przypadku nowych technologii • Wysoki poziom badań naukowych • Budzące optymizm zainteresowanie przemysłu MATERIALS DESIGN DIVISION Elektronika przyszłości wymaga nanotechnologii Number of particles [%] 70 Nano Ag o rozdrobnieniu 3 – 8 nm 60 50 40 30 20 10 0 Atrament przewodzący prąd elektryczny dla jednej z najnowocześniejszych technik drukowania w mikroelektronice Φ= 50µm ; Dystans 100µm 4 6 8 Silver particle dimension [nm] 10 MATERIALS DESIGN DIVISION Fuga z domieszką nano-srebra OCHRONA ANTYBAKTERYJNA – w postaci domieszki srebra – srebro, dzięki swoim właściwościom septycznym, zwalcza kilkaset rodzajów bakterii i grzybów, które nie mogą się na nie uodpornić; dzięki srebru fugi na długo pozostają czyste i kolorowe; zawarte w fudze srebro jest przyjazne dla środowiska, nietoksyczne i nieszkodliwe dla człowieka. UW otworzył kierunek Inżynieria nano-układów MATERIALS DESIGN DIVISION MATERIALS DESIGN DIVISION Uwagi końcowe • Na naszych oczach dokonuję się swoista „rewolucja” w obszarze techniki zmaterializowanej (w odróżnieniu od techniki wirtualnej) • Związany jest z nią obszar intensywnie rozwijanych badań i prac rozwojowych • Nano-technologie mogą być to szansą dla polskich firm • Powinny być także ważnym kierunkiem badań w PW • Badań i działań edukacyjnych • Szkoła Nanotechnologii? MATERIALS DESIGN DIVISION Mariuszowi Andrzejczukowi Markowi Muzykowi Monice Bil Tomaszowi Płocińskiemu Annie Boczkowskiej Krzysztofowi Rożniatowskiemu Ewelinie Ciecierskiej Piotrowi Śpiewakowi Romualdowi Doboszowi Wojciechowi Święszkowskiemu Halinie Garbacz Małgorzacie Lewandowskiej
