LUENTO 9 NANOMATERIAALIT 2013 BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen LUENTO 9 NANOMATERIAALIT 2013

Kolme näkökulmaa… Materiaalien atomi- ja molekyylitason tarkastelu Nano-partikkeleihin, -jauheisiin ja -kuituihin perustuvat konstruktio-materiaalit ja niiden käyttökohteet Nano-mekaaniset järjestelmät ja koneet

Jäsentely 1 Johdanto 2 Fullereenit ja nanoputket 3 Nanokonstruktiomateriaalit 4 Mekaaniset ominaisuudet 5 Sovelluskohteita 6 Valmistusmenetelmät 7 Tutkimuksen nykytila

1 JOHDANTO Nanomateriaalien luokittelu: Fullereenit Hiilinanoputket Nanokuidut/ Nanolangat Dendrimeerit/Nanopolymeerit Nanokapselit Nanokiteiset materiaalit Nanopartikkelit/nanojauheet Nanokalvot Nanohuokoiset materiaalit Nanokomposiitit

Mitat 3 nanodimensiota < 100nm Partikkelit, ontot pallot 2 nanodimensiota < 100nm Putket, kuidut,langat 1 nanodimensio < 100nm Ohutkalvot, pinnoitteet, kerrokset Faasit Yksi kiinteä Kiderakenteiset, amorfiset Monta kiinteää Matriisikomposiitit Monta faasia Solurakenteiset, nestemäiset Valmistustapa Kaasufaasireaktio CVD-pinnoitus, plasma Nestefaasireaktio Sol-gel tekniikka Mekaaninen Jauhaminen, plastinen muokkaus Materiaali Hiiliperustaiset Fullereenit, hiilinanoputket Metallipohjaiset Kulta, hopea, metallioksidit Polymeeripohjaiset PEA, PP, PA Komposiitit

1 nano-dimensio 2 nano-dimensiota 3 nano-dimensiota Esim. kalvot tai kerrokset Esim. langat, kuidut, nanoputket Esim. nanopartikkelit, jauheet, fullereenit

Lähtökohtana on hiilen eri olomuotojen periaatteellinen tunteminen: Timantti Jokainen hiiliatomi on kiinni neljässä muussa hiiliatomissa. Näin syntyy 3D-verkko. Grafiitti Hiiliatomit ovat sidoksissa toisiinsa vain tasossa. (Grafeeni on hiiliatomien muodostamatasomainen lakana.) Hiilen eri olomuotoja: Timantti, grafiitti (pääkkäisiä grefeeneja), fullereeni, amorfininen hiili, hiilinanoputki Fullereeni Hiilen muoto, joka koostuu pallon muotoon asettuneista 60 hiiliatomista.

Konstruktiomateriaalien näkökulma Nano-partikkelit Nano-kalvot Nanolangat ja -tangot Nano-komposiitit

Suunnittelu, analysointi ja optimointi nano-, mikro- ja makrotasoilla Atomi ja molekyyli -taso Materiaalien vuorovaikutus nanomittakaavassa. Esim. nanopolymeerien muodostuminen Mikrotason tarkastelu Komposiittien tutkimus Komposiitin ja kerrosrakenteen suuntaaminen häiveteknologiassa Komponentin mekaaniset ja radiotekniset ominaisuudet Tuotteen suorituskyky Suunnittelu, analysointi ja optimointi nano-, mikro- ja makrotasoilla

2 FULLEREENIT JA NANOPUTKET Fullereeni voi koteloida sisäänsä atomin, esim. typpiatomin. Myös molekyylien välillä on tyhjä tila, johon atomit voivat asettua. Hallittu rakentuminen on yksi peruslähtökohta nanoteknologiassa.

Esimerkki cesium-fullereenirakenteesta Cs3C60 Esimerkki cesium-fullereenirakenteesta Cs3C60. Vierekkäisten fullereenimolekyylien etäisyys toisistaan on n. 1 nanometri. Kiderakenne reagoi paineen ja lämpötilanmuutokseen. Haluttujen atomien liittäminen rakenteeseen on toinen peruslähtökohta nanoteknologiassa.

Erilaisten nanoputkien rakenteen ja ominaisuuksien tunteminen luo perustan nanoputkien soveltamiselle eri tekniikan aloilla. Esimerkiksi hiilinanoputkien mahdollisuutta suodattaa tritiumia (”punaiset atomit sinisessä nanoputkessa”) tutkitaan. Tämä ominaisuus olisi tarpeen suodatettaessa radioaktiivisia aineita (kuten esim. ydinpoltto-ainesauvojen jäähdytysvettä).

Nanoputkimateriaalit Hiilinanoputket Boori- ja boorinitridi (BN) -nanoputket Molybdeeni-rikki-jodi (MoSI) -nanoputket Piinanoputket Magnaanidioksidi (MnO2) -nanoputket Titaaninanputket Polyaniliini (PAni) -nanoputket

Hiilinanoputket Hiilinanoputkien luokittelu: Halkaisija Kierteisyys Nippuuntuminen

Hiilinanoputken voidaan ajatella olevan kuin “putkeksi rullattua grafiittilevyä”. Grafiitin kuusikulmio-rakenteen suuntautumisen mukaan hiilinanonputkien kierteisyyttä kuvataan kolmella englanninkielisellä termillä: ”Zig-zag”, ”Armchair” ja ”Chiral”. Kierteisyys vaikuttaa hiilinanoputken kaikkiin, myös mekaanisiin ominaisuuksiin. Valmistusprosessin vaikeutena on tuottaa vain yhtä kierteisyysmuotoa tai erotella eri muodot toisistaan.

Muita säädeltäviä hiilinanoputkien ominaisuuksia ovat: Kerroksittainen seinämien lukumäärä (SWNT, DWNT, TWNT, MWNT) Single-Walled Nanotube = SWNT Haaroittuneisuus 1-seinämäinen hiilinanoputki 2-seinämäinen 3- seinämäinen Moni-seinämäinen hiilinano-putki

Nanoputki voi myös syntyä yksi-suuntaisena ”nauhan” nousullisena kierteenä joko myötä tai vastapäivään

Hiilinanoputken mekaanisia, sähköisiä ja termisiä ominaisuuksia voidaan säätää tekemällä siihen säännönmukaisia putken muodonpoikkeamia tuottamalla hiiliatomien etäisyyksien kutistumia “Kutistava” poikkeama voidaan tuottaa Putken kehälle säännöllisin välein Pituussuunnassa joka toiseen kuusikulmioriviin Putken kehälle säännöllisesti sekä pituus- että säteensuunnassa vuorotellen

Yhdistämällä sopiva hiilinaniputkirakenne ja polymeeri voidaan varioida materiaalin kimmo- ja sitkeysominaisuuksia.

Boorinanoputket Boorista tehdyillä nanoputkilla näyttäisi olevan hyvin samantyyppiset perusominaisuudet kuin hiilen nanoputkilla. Boorin nanoputket koostuvat kuusikulmaisesta verkosta, jossa osassa kuusikulmioita on kuitenkin ylimääräinen atomi. Rakenne on siis monimutkaisempi kuin hiilen nanoputkissa. Boorin kemiallisen rakenteen takia pelkistä kuusikulmioista muodostuva putki olisi epävakaa ja siksi ylimääräinen atomi on lisätty. Metalliset boorin nanoputket voivat olla parempia johteita kuin hiilen nanoputket. Ne voivat olla myös suprajohteita korkeissa lämpötiloissa.

Boorinitridi (BN) -nanoputket Boorinitridi-nanoputkien- ja verkkojen rakenteet vastaavat hiilinanoputkien rakennetta, sillä erotuksella, että boori-nitridi-verkko koostuu boori- ja nitridiatomeista. BN -nanoputkissa on hiili-hiili-sidoksen sijaan ionisempi boori-nitridi-sidos. Tämän vuoksi BN- nanoputkien avulla voidaan tuottaa vain puolijohtavia nanoputkia. BN -nanoputkien mekaaniset ominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset kuin hiilinanoputkilla, eli ne ovat erittäin kestäviä ja kevyitä. BN -nanoputket kestävät hyvin myös hapettumista, jonka vuoksi ne soveltuvat hyvin kemialliseen suojaukseen. BN -nanoputkien tuotanto on vaikeaa. Samat CVD- tekniikat (chemical vapor deposition), joita käytetään hiilinanoputkien tuotannossa, eivät sovellu BN- nanoputkien tuotantoon. Paras synteettinen tapa tehdä BN -nanoputkia on keino, jossa magnesium toimii katalyyttina tuottaen BN -nanoputkia.

Molybdeeni-rikki-jodi-nanoputket Nanoputket, jotka muodostuvat molybdeeni-, rikki- ja jodiatomeista (MoSI-nanoputket), saattavat olla helpompia soveltaa käytäntöön kuin hiilinanoputket. Hiilinanoputkien käytännön sovelluksien aikaansaaminen on vaikeaa, koska juuri halutunlaisia nanoputkia on vaikea tuottaa, ja valmiita nanoputkia on vaikea liittää esimerkiksi elektronisiin järjestelmiin. MoSI-nanoputket ovat metallisia eli ne johtavat sähköä, ja ne esiintyvät tavallisesti kimppuina. Toisin kuin hiilinanoputket, ne liukenevat moniin tavallisiin liuottimiin ja irtoavat silloin kimpuistaan. MoSI-nanoputkia on suhteellisen helppo tuottaa ja lajitella. Sovelluksista lupaavimmilta vaikuttavat paristojen eletrodit ja voiteluainesovellukset.

Piinanoputket Korvaamalla perinteiset grafiittielektrodit litium-ioni-akuissa piinanoputkista valmistetuilla elektrodeilla, akun kapasiteettia voidaan parantaa (sovellus esimerkiksi sähköautoissa)

Mangaanidioksidi (MnO2) -nanoputket Edullisia litium-ioni-akkujen elektrodeja voidaan valmistaa myös käyttämällä mangaanidioksidi (MnO2) –nanoputkia. MnO2-nanoputket nestataan ensin alustalle ja hiilinanoputket kasvatetaan MnO2-putkien sisään (Hiilinanoputket ”pinnoitetaan” MnO2:lla).

Titaaninanoputket Hiilinanoputkiin verrattuna titaaninanoputkista (titaanioksidista) voidaan valmistaa moninkertaisesti herkempiä antureita tunnistamaan vety. Erona toiminnassa on se, että anturin herkkyyteen ei vaikuta ainoastaan nanoputken sisä- (ja ulko-) pinta-ala, vaan vetyioni läpäisee myös titaaninanoputken seinämän. Tämä ilmiö saa aikaan moninkertaisen konduktanssin muutoksen nanoputkielektrodissa (verrattuna aikaisempiin vain pinta-alaan perustuviin antureihin). Titaaninanoputkista tehtyä anturia voidaan käyttää uudelleen.

Polyaniliini (PAni) -nanoputket Polyaniliinista (PAni) valmistetaan synteettisiä polymeerinanoputkia. Reaktiivisena alustana käytetään MnO2-nanolankoja, jotka käynnistävät polymeraatioreaktion. Nanoputkista tulee näin poikkileikkaukseltaan säännöllisen nelikulmion muotoisia. Polyaniliininanoputkien sähköjohtavuutta voidaan säädellä polymeeraatio-reaktion avulla.

Muista materiaaleista tehdyt nanolangat – ja tangot Kullasta voidaan valmistaa nanolankoja, joiden halkaisija on 30 nm ja pituus 4.5… 6 µm. Nanolangat mahdollistavat molekyylitason sähköisten liitosten tekemisen. Sovelluskohteita ovat nanoelektronikka, nanoantennit, aurinkokennot. Ilman puhdistuksessa, katalysaattoreissa ja vedyn tuottamisessa/varastoinnissa voidaan käyttää platinalla (Pt)ja palladiumilla (Pd) päällystettyjä kultananotankoja, joiden mitat ovat 25 x 75 nm. Nanolankoja on tehty myös hopeasta. Muita tutkittuja nanoputki – ja lankamateriaaleja ovat esimerkiksi MoS2, WS2, TiS2, TiO2, V2O5, Fe2O3, Co3O4, NiO, and SnO2.

3 NANOKONSTRUKTIOMATERIAALIT Päähuomio kiinnittyy erilaisiin nanokomposiitteihin. Pääryhmiä on kolme: Nanopartikkelisovellukset Nanokuitusovellukset Nanokerros (tai pinnoite) -sovellukset

Nanokomposiitit Nanoteknologiaan perustuvalla seostuksella avulla voidaan parantaa polymeeri-, keraami-, metalli- ja tekstiilimatriisien ominaisuuksia perinteisissä komposiittirakenteissa. Nanoteknologian avulla voidaan muodostaa myös nano-nanokomposiitteja (esimerkiksi metalleja hiilinanoputken sisällä).

Polymeerinanokomposiitit POLYMEERI NANOKOMPOSIITTI= POLYMEERI MATRIISI + NANOLUJITE (”TÄYTE”) NANOPARTIKKELIT NANOKERROKSET NANOLANGAT/PUTKET

Polymeerinanokomposiittien käytön tavoitteita: 1 Korkea suorituskyky 2 Keveys 1 Energian säästö 2 Ympäristön suojelu Teollisuuslähtöisyys,lyhyt aikajänne Autoteollisuus Ilmailu Asuminen Teollisuuslähtöisyys, pitkä aikajänne

Polymeerimatriisi/epäorgaaninen nanopartikkeli Nanopartikkelien halkaisija on yleensä alle 100nm. Yleisimpiä nanopartikkelien raaka-aineita ovat: Metallit (Al, Fe, Au, Ag) Metallioksidit (ZnO, Al2O3,CaCO3, TiO2) Ei-metalliset oksidit (SiO2) Muut (SiC)

Polymeerinanokomposiittirakenteita 1. KERROSRAKENTEISET POLYMEERINANOKOMPOSIITIT Polyamidi (PA) -nanokomposiitit Epoksi-Pii-nanokomposiitit Polypropyleeni(PP) –Pii- nanokomposiitit Polystyreeni (PS) -nanokomposiitit Polyethyleeniakrylaatti (PEA) -nanokomposiitit Polybutyleeniterephtalaatti (PBT) -perustaiset nanokomposiitit 2. NANOPUTKI- JA NANOPARTIKKELIPOLYMEERIKOMPOSIITIT SWNT-nanoputkia epoksikomposiiteissa Muut fullereeni/hiilinanoputki polymeerikomposiitit Polymeeri/kalsiumkarbonaattI (CaCO3) -nanokomposiitit Fenolihartsi/SiO2 -hybridinanokomposiitit Polymeeri/grafiitti nanokomposiitit Polymeerinanokomposiitit, joissa on funktionaaliisia partikkeleita

Esimerkki kaupallisesta tuoteluettelosta…

Nano-nanokomposiitit Nano-nanokomposiittien eri lajeja: 1) Ontelonanopartikkelit (esim. kultakuori) 2) Hiili-nanokeraaminen pinnoitus 3) Hiili- polymeeri nano-nanoputkikomposiitit 4) Metalli-keraami nano-nanokomposiitit 5) (DNA-linked nanoparticles)

4 MEKAANISET OMINAISUUDET Kuten tuotteen suunnittelu, tehdään mekaanisten ominaisuuksien tarkastelu (atomi-), nano-, mikro- ja makrotasoilla

Hiilinanoputkien (ja -kuitujen) lujuus

Nanoputkien keskinäinen kiinnitys Nanoputkien lujuuden hyödyntämisessä suurin ongelma on sinänsä suurilujuuksisten yksittäisten nanoputkien heikko keskinäinen kiinnipysyvyys tai kiinnipysyvyys esim. polymeerimatriisissa Mahdollinen ratkaisu on tuottaa aikaisemmin esitetyillä tavoilla putkien seinämiin paksuuspoikkeamia tai kovalenttisia sidoksia putkien ja/tai ympäröivän matriisin välille. !

Nanoputkien halkaisijan ja kierteisyyden merkitys Kimmo-ominaisuudet [TPa] Kimmomoduuli Liukumoduuli Nanoputken halkaisija [nm] Armchair- kierteisyys Zig-Zag- kierteisyys

Nanokuitulisäyksen vaikutus venymä-lujuuskäyrään Puhdas epoksi 0.3 paino-%:a lisätty nanokuituja Venymä Jännitys [MPa]

Hiilinanoputkiseostuksen (paino-%) vaikutus polymeerikomposiitin kimmomoduuliin riippuu voimakkaasti käytettävästä polymeerimatriisista:

Nanoputkilujitetun komposiitin vauriomekanismit Sekä lyhyt että pitkäkuituisilla kuitukomposiiteilla tunnistetaan neljä eri vauriomekanismia: Kuidun katkeaminen Kuidun irtoaminen Kuidun kiinnityspinnan vääristymä Matriisin murtuminen Samat vauriomekanismit on todettu myös nanoputkilujitetuilla polymeeri-komposiiteilla. Kuitu vastaa nanoputkea. Kuidun irtoaminen Kuidun kiinnityspinnan vääristymä Kuidun katkeaminen Matriisin murtuminen

Hiilinanoputkilujitetun komposiitin vaurioituminen.

Heikoin kohta perinteisessä kuitulujitetussa komposiitissa on “tyhjä” kohta matriisissa kuitujen välissä. Näiden kriittisten “tilavuuksien” lujuutta ja sitkeyttä voidaan parantaa seostamalla matriisiin hiilinanoputkia. Matriisiin lujittamattomat kohdat kuitujen välissä Hiili- kuidun poikki- leikkaus Hiilinanoputkilla lujitetut kohdat kuitujen välissä

[GPa], logaritminen asteikko Lujuusvertailua Vetomurtolujuus [GPa], logaritminen asteikko Hiilinano- putket Hiili- kuidut Kevlar- Ruostumaton teräs

Suhteellinen lujuus Murtolujuus/Tiheys Hiili- nanoputki Alumiini- seos kuitu Teräs Käyttökelpoisempi vertailutulos saadaan sitomalla lujuusvertailu käyttökohteeseen ja yhdistämällä esim. materiaalin lujuus/jäykkyys tai lujuus/tiheys (osan paino).

Polymeerinanokomposiittien ominaisuuksien muuttuminen Paranee: Lujuus Sitkeys Jäykkyys (riippuu geometriasta) Mittatarkkuus Kuumuuden kesto Kemiallinen kesto Muut räätälöidyt ominaisuudet (esim. sähkönjohtavuus) Huononee Viskoosisuus (valmistus kärsii) Ominaisuusvaihtelut eri kohdissa kappaletta Partikkelien jakauma Nanoputkien suuntaus Kerrostumat Värimuutokset (monesti musta) Huom! Kummatkin riippuvat vahvasti käytetystä polymeerimatriisista ja nanolujitteista

Vaikutukset konstruktiokeraamien ominaisuuksiin Nanopartikkelien käyttö parantaa keraamisten materiaalien sitkeyttä Nanopartikkelien käyttö parantaa keraamisten materiaalien kovuutta ja kulumiskestävyyttä

5 SOVELLUSKOHTEITA Nanoteknologia INNOVATIIVISET NANOTEKNOLOGIAN rakenteet Kosmetiikka koneet Nanobio- teknologia Lääke- teollisuus Energia- tekniikka Elintarvike- Puolustus- väline- optiikka INNOVATIIVISET NANOTEKNOLOGIAN SOVELLUKSET Nanoteknologia

Nanoelektroniikkan sovelluksia Yleisiä etuja: Komponenttien ja laitteiden koko ja paino alenee Tehonkulutus laskee Muistipiirien tallennustiheys kasvaa Anturiteknologian kehitysmahdollisuudet lisääntyvät (pienet määrät höyryä/ kosteutta voidaan analysoida) Tekee mahdolliseksi MEMS:ien rakentamisen (Micro-Electromechanical Systems) Muita näkökohtia: Nanoputki on merkittävästi tehokkaampi johde kuin kupari. Nanoputken etuna kupariin verrattuna on lisäksi se, että nanoputki on taipuisa, kun kuparijohde on jäykkä. Nanoputki kestää jopa 1500 asteen lämmön ja on erinomainen lämmönjohde.

Energiatekniikan sovelluksia Sovelluskohteita: Tehokkaammat ja pienikokoisemmat aurinkokennot Tehokkaammat litium-ioni-akut Polttokennojen kehitys Polttoaineiden valmistusprosessin tehokkuuden lisäys (kun lähdetään myös hyvin epäpuhtaista raaka-aineista) Ajoneuvojen polttoainetalouden ja moottoreiden kulumiskestävyyden parantaminen (dieselin ja bensiinin lisäaineistus)

Polttokenno ei vapauta varastoitua sähköä, vaan tuottaa sitä polttoaineen hapetuksella. Elektrolyyttinä toimiva polymeerikalvo hajottaa polttoaineen elektroneiksi ja protoneiksi hapettajan läsnä ollessa. Sähköä eristävänä polymeerikalvo ohjaa tämän jälkeen protonit katodille ja elektronit anodille. Takaisinkatalysaatiossa osa elektroneista yhtyy protoneihin ja hapettajaan ja tuottaa sivutuotteena vettä ja hiilidioksidia tai -monoksidia. Elektrodeina käytetään metallia: nikkeliä tai platinoituja nanoputkia. Polttoaineena käytetään yleisimmin metanolia tai vetyä, ja hapettajana ilmaa tai puhdasta happea. Kennon hyötysuhde vaihtelee ratkaisusta riippuen 20–80 prosenttiin.

Avaruusteknologian sovelluksia Painon säästö avaruusaluksissa, mittalaitteissa ja muussa astronauttien varustuksessa Polttoaineen säästö Energian tuotto aurinkokennoilla Avaruustutkimuksessa tarvittavien sensoreiden kehitys Astronauttien vaatetuksen kehitys

Lääketieteen sovelluksia Eräitä sovelluksia ja mahdollisuuksia: Haavojen paranemista edistävät hopeaoksidivalmisteet ja –tuotteet Nanopartikkelit, jotka kuljettavat syövän hoidossa tarvittavat solusalpaajat suoraan kasvaimeen minimoiden terveiden solujen vauriot hoidon aikana Nanopartikkelien käyttö etsittäessä syöpäsoluja ja/tai kasvaimia Rokotteiden/injektioiden korvaaminen nanopartikkeleja sisältävillä suun kautta otettavilla lääkkeillä Hampaiden paikka-aineet Kehitteillä implanttina toimiva verenpainemittari

Ympäristönsuojelun sovelluksia Veden puhdistus: Teollisuusveden puhdistus nanoteknologian avulla Suolan ja metallien poistaminen vedestä Veden puhdistaminen viruksista nanoteknologian avulla (normaalit suodattimet eivät riitä) Pohjaveden tai muun veden puhdistus esim. öljystä tai hiilitetrakloridista Pohjaveden neutralisointi nanopartikkelien tai nanopinnoitettujen putkistojen avulla Ilman puhdistus: Katalyyttiset reaktiot ja tehokkaammat katalysaattorit

Elintarviketeollisuuden sovelluksia Sovelluskohteita: Kalvomaiset nanomateriaalikerrokset kertakäyttöpakkauksiin ja pakkauskalvoihin, jotka mahdollistavat kaasutiiveyden. Muovisiin säilytysastioiden seinämiin on tuotettu hopeananopartikkeleita tappamaan haitallisia bakteereita. Sinkkioksidi nanopartikkelit voivat suojata muovipakkauksissa olevia elintarvikkeita UV-valon haittavaikutuksia ja suojata bakteereilta Nanosensorit ilmaisevat taudinaiheuttajia (esim. salmonella) ja ruuan muun pilaantumisen pakkauksen värin muutoksina

Urheiluvälineiden sovelluksia Sovelluskohteita on kymmenittäin: Tennis-, sulkapallo-, golfmailat (jäykkyys, lujuus) Tennispallojen nanokerros, joka estää ilmaa vuotamasta pallosta Polkupyörien osat (keveys, jäykkyys, lujuus)

Lastuavien terien sovelluksia SiC-C nanojauhetta ja puristettuja koekappaleita TIN-Si3N4-nanomonikerros teriä

Puolustusteollisuuden sovelluksia

Liukastumisen esto nanopinnoitteella, joka on tuotettu siiven päälle

6 VALMISTUSMENETELMÄT Nanomateriaalien valmistuksen päämenetelmät: Sol-gel-synteesi Kaasufaasisynteesi Höyrystäminen plasmalla, laserilla, tai kemiallisella kaasufaasisynteesillä Pinnoitustekniikat CVD -pinnoitus (Chemical Vapor Deposition) HVOF -pinnoitus (High Velocity Oxy Fuel) Mekaaninen jauhaminen ja seostus

Hiilinanoputkien valmistus: Höyrystämällä suurteholaserilla grafiittilähdettä metallisten katalyyttipartikkelien vaikutuksessa Johtamalla virta hiiliperusteiseen elektrodiin sopivassa atmosfäärissä Kemiallisen reaktion välityksellä kaasumaisista reaktiokomponenteista uunissa (CVD -prosessi)

Tasalaatuisia partikkeleita Solurakenteinen keraami Sol-gel-tekniikka Polymeraatio Hydrolyysi Geelin muodostus Saostaminen Pinnoittaminen Kuidun muodostus Kuivatusuuni Tasalaatuisia partikkeleita Märkä geeli Pinnoitegeeli Liuottimien poistaminen Kosteuden haihdutus Kuumennus Tiivis keraamikalvo Keraamiset kuidut Geelimassa Kuu- men- nus Tiivis keraami Solurakenteinen keraami Raaka-aineet, alkalimetalli- oksidit LIUOS VAIHTO- EHTOISET PROSESSIT LÄHTÖKOHTA PÄÄTUOTTEET

Hiilinanoputkilujitettujen komposiittien valmistus Hiilinanoputkia voidaan sekoittaa polymeerien lisäksi myös metalleihin, metallioksideihin ja keraamisiin aineisiin Tyypillinen valmistusprosessi on matriisijauheen ja nanoputkien kuumapuristus Polymeereihin hiilinanoputket sekoitetaan ennen polymeerin kovettamista.

Nanopinnoitus Plasmaruiskutus Plasmaruiskutuksessa käytetään plasmatilassa olevan kaasun tai kaasuseoksen energiaa jauhemaisen lisäaineen sulattamiseen ja kuljettamiseen pinnoitettavalle kappaleelle. Erikoissovelluksena tyhjiöplasmaruiskutus Chemical Vapour Deposition (CVD) Pinnoite muodostuu kemiallisen reaktion välityksellä kaasumaisista reaktiokomponenteista. Timantinkaltaiset pinnoitteet tunnetaan lyhenteellä DLC (Diamond Like Carbon). Voidaan valmistaa myös vetyä sisältäviä (10…60%) hydrattuja amorfisia hiilikalvoja (nk. a-C:H- kalvot). High Velocity Oxy Fuel (HVOF) HVOF -prosessi on jauhemaisten materiaalien ruiskutusprosessi, Tarvittava lämpöenergia tuotetaan polttamalla kammiossa esim. propaanin tai kerosiinin ja hapen seosta. Kuumakammioprosessissa jatkuvasti syötettävä, yleensä metallinen jauhe sulaa, ja se johdetaan argon-kaasun avulla pinnoitussuuttimeen, jonka kautta pinnoite ohjataan suurella nopeudella (n. 600 m/s) pinnoitettavaan kappaleeseen. Pinnoiteaineen iskeytyessä suurella nopeudella kappaleeseen muodostuu ominaisuuksiltaan erinomainen pinnoite.

7 NANOTUTKIMUKSEN NYKYTILA Tärkeimmät sekä teollisuuden että tutkimuslaitosten tunnistamat tutkimusaiheet ovat nanokomposiitit, nanorakenteiset materiaalit, ohutnanokalvot ja nanoputket. Tutkimuslaitokset painottavat nanoputkia teollisuutta enemmän.

Energiatekniikan sovelluksista on kirjoitettu eniten tutkimustuloksia

Hiilipohjaisista nanomateriaaleista eniten on kirjoitettu tutkimustuloksia v. 2003 hiilinanoputkista. Kasvu artikkelien määrässä on ollut jatkuvaa vuodesta 1990 alkaen.

Hiilinanoputkista kirjoitettujen tutkimustulosten määrä näyttäisi kääntyneen laskuun v. 2005, mikä korreloi myös teollisuuden ja tutkimuslaitosten kiinnostuskohteissa havaittuun eroon.

5 Mitä Suomessa tutkitaan nano-teknologiasta? TKK VTT HY

Kehitysvaiheet…