FI128192B - Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin - Google Patents

Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin Download PDF

Info

Publication number
FI128192B
FI128192B FI20165127A FI20165127A FI128192B FI 128192 B FI128192 B FI 128192B FI 20165127 A FI20165127 A FI 20165127A FI 20165127 A FI20165127 A FI 20165127A FI 128192 B FI128192 B FI 128192B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
suspension
beam target
target material
target
laser
Prior art date
Application number
FI20165127A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20165127A (fi
Inventor
Erkka Frankberg
Erkki Levänen
Juho Kaisto
Saumyadip Chaudhuri
Ville Kekkonen
Jari Ilmari Liimatainen
Original Assignee
Picodeon Ltd Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Picodeon Ltd Oy filed Critical Picodeon Ltd Oy
Priority to FI20165127A priority Critical patent/FI128192B/fi
Priority to PCT/FI2017/050069 priority patent/WO2017140943A1/en
Priority to CN201780023118.8A priority patent/CN109071357B/zh
Priority to KR1020187026850A priority patent/KR20180132640A/ko
Priority to EP17715510.8A priority patent/EP3416926A1/en
Publication of FI20165127A publication Critical patent/FI20165127A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI128192B publication Critical patent/FI128192B/fi

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/26—Carbonates
    • C04B14/28—Carbonates of calcium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/013—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics containing carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling
    • C04B35/62615—High energy or reactive ball milling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625—Wet mixtures
    • C04B35/62635—Mixing details
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625—Wet mixtures
    • C04B35/6264—Mixing media, e.g. organic solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62695—Granulation or pelletising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering
    • C04B35/6455—Hot isostatic pressing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D127/00—Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D127/02—Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Coating compositions based on derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C09D127/12—Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Coating compositions based on derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C09D127/18—Homopolymers or copolymers of tetrafluoroethene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • C04B2235/425—Graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/604—Pressing at temperatures other than sintering temperatures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/612—Machining
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/963—Surface properties, e.g. surface roughness

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Esillä olevassa keksinnössä esitellään valmistusmenetelmä laserablaatioprosessissa käytettävien ja tehokkaamman pinnoitusprosessin mahdollistavien kohtiomateriaalikappaleiden (17) tuottamiseksi seostamalla kohtiomateriaalin raaka-aineena käytettävään pulveriin (11) erityisellä tavalla valmisteltua lisäainesuspensiota (12, 13). Lisäaineen (12), raaka-aineiden (11) ja nesteen (13) muodostamaa suspensiota (14) lämmitetään ja tämän jälkeen vielä sintrataan, jolloin saadaan tuotettua kiinteä kohtiomateriaalikappale (17). Tällä tavoin valmistettua kappaletta (17) voidaan käyttää edullisesti laserablaatioprosessin kohtiona.

Description

Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin
Keksinnön ala
Keksintö liittyy laserablaatioon perustuvassa pinnoituksessa käytettävien kohtiomateriaalien valmistukseen ja etenkin kohtiossa yhtenä raaka-aineena käytettävään grafeenioksidiin tai redusoituun grafeenioksidiin tai puhtaaseen grafeeniin tai kemiallisesti modifioituun grafeeniin ja näiden materiaalien seostusmenetelmiin pulverimaiseen lähtöraaka-aineeseen ennen tiivistystä kohtioksi.
Keksinnön tausta
Laserablaatiossa kohdistetaan kohtiomateriaaliin lyhyitä laserpulsseja, jotka saavat aikaan materiaalin irtoamista monin eri tavoin kohtiomateriaalista ja irronneen materiaalin siirtymisen kohti alustamateriaalia muodostaen alustan pinnalle hyvin kiinnipysyvän ja niin haluttaessa myös hyvin ohuen pinnoitteen. Pinnoitusproses15 sin tuotantotehokkuuden kannalta olisi edullista pystyä lisäämään kohtiosta irtoavan materiaalin määrää aikayksikössä pitäen kuitenkin tuotetun pinnoitteen laatu riittävän hyvänä. Tuotantotehokkuutta voidaan luonnollisesti lisätä lisäämällä käytettävien laserien tehoja, laserien lukumäärää, pulssienergiaa sekä luonnollisesti säätämällä laserparametrit prosessin kannalta optimaaliselle alueelle. Näissä pa20 rannuskeinoissa on luonnolliset, fysiikkaan ja järjestelyn geometriaankin perustuvat rajoituksensa. Lisäksi, jos tuottavuutta pyritään nostamaan vain laserlähteiden tehoja tai lukumäärää nostamalla, tuotantolaitteiden investointikustannukset nousevat huomattavasti.
Keksinnön yhteenveto
Esillä olevassa keksinnössä esitellään menetelmä tehostaa laserablaatiolla toteutettavaa pinnoitusprosessia seostamalla kohtiomateriaaliin hallittu määrä ja jakauma kohtiomatehaalin irtoamista tehostavia ja helpottavia lisäaineita. Seostuksen määrän tulee olla hyvin pieni, jotta pinnoitteeksi asti siirtyvässä materiaalissa ei ole haitallisia määriä lisäaineita mukana.
Keksinnön mukaisessa menetelmässä valmistetaan suspensio grafeenioksidista tai redusoidusta grafeenioksidista tai puhtaasta grafeenista tai kemiallisesti modifioidusta grafeenista ja nestemäisestä aineesta. Suspensio sekoitetaan tasalaatuisuuden varmistamiseksi ja siihen voidaan lisätä haluttu muu pulverimainen raaka
20165127 prh 18 -02- 2016 ainemateriaali. Grafeenioksidia tai redusoitua grafeenioksidia tai puhdasta grafeemia tai kemiallisesti modifioitua grafeemia sisältävä suspemsio ja aimakim yksi muu pulverimainen materiaali sekoitetaan keskenään, millä varmistetaan grafeenioksidin tai redusoidun grafeenioksidin tai puhtaan grafeemin tai kemiallisesti modifioi5 dun grafeemin mahdollisimman hyvä jakautuminen pulvehmateriaaliin ja erityisesti sen pinnoille. Grafeenipohjaista lisäainetta käytetään olennaisesti sen takia, että se on dimensioiltaan merkittävästi käytettyä ainakin yhtä muuta pulverimaista materiaalia pienempi, jolloin se kykenee jakautumaan tasaisesti eli homogeenisesti pulvehpartikkelien väliin. Lisäksi grafeenipohjaisten lisäaineiden pintakemiaa voi10 daan muokata yhteensopivammaksi laajemman raaka-ainejoukon kanssa.
Olennaista on valita laserablaatiota edistävä lisäaine ja suspension valmistukseen sopiva nestemäinen aine eli liuos siten, että lisäaine dispergoituu nesteeseen mahdollisimman hyvin, suspension sekoittaminen pulverimaiseen raakaaineeseen on mahdollisimman tehokasta ja lisäksi se, että nestemäinen liuos voi15 daan tarvittaessa poistaa helposti kuivauksen tai kompaktoinnin aikana sekoitteesta. Hyvä dispergoituminen on siis kiinteän aineen tasaista sekoittumista ja jakautumista nesteeseen.
Pulverimaisten lähtöainepartikkelien ollessa pieniä niiden kuivana sekoittaminen vaikeutuu partikkelien pintavoimien myötä, koska pulverin sisäinen kitkavoima ja 20 paakkuuntuminen voimistuvat. Tämä johtaa siihen, että pulveri ja lisäaineet eivät sekoitu homogeenisesti keskenään ja että pulverimainen lähtöaine voi lisäksi likaantua sekoitusvälineistä irtoavien kulumispartikkelien takia. Nestefaasiin sekoitettuna sekoittaminen helpottuu, koska partikkelit voidaan pakottaa erilleen kemiallisesti ja kitka nesteessä on suhteellisen pieni, jolloin pulveriseos voidaan sekoittaa 25 riittävän homogeeniseksi seokseksi. Toinen merkittävä etu nestedispersion käytössä on se, että kappaleen valmistuksen muodonantovaiheessa, ennen sintrausta, partikkelit voidaan pakata tiiviimmin, mikä takaa laadukkaamman ja toistettavamman lopputuloksen kohtiokappaleen valmistuksessa.
Liuoksessa olevan pulverin (mukaan lukien sekä matriisi- että seospartikkelit) ol30 lessa hyvin pienijakoista, halkaisijaltaan noin välillä 0 - 1 pm, gravitaatio ei enää ole määräävä vuorovaikutusvoima vaan partikkelien pinnoille syntyvät polaariset ja ei-polaahset voimat sanelevat, kuinka partikkelit käyttäytyvät liuoksessa. Pintavoimia voidaan keinotekoisesti muokata muokkaamalla partikkelien pintakemiaa.
Hiili perusmuodossaan on ei-polaahnen materiaali, kun taas vesi on vahvasti po35 laahnen aine. Tämä tarkoittaa sitä, että hiili ei sekoitu veteen vaan pyrkii vesifaasin
20165127 PRH 18 -02- 2016 ulkopinnoille ja hiili pyrkii myös paakkuuntumaan vedessä. Hiili voidaan muuttaa veteen yhteensopivaksi lisäämällä siihen pintamolekyylejä, jotka ovat polaarisia. Tällainen yhteensopiva hiilen muoto on grafeenioksidi, joka koostuu yhden hiiliatomin paksuisesta levystä, jonka pintaan on kiinnittynyt polaarisia ryhmiä, jotka 5 muodostavat mitattavan (polaarisen) pintavarauksen hiililevyn pintaan. Täten grafeenioksidi muodostaa dispergoituneita ja stabiileja seoksia veteen sekoitettuna. Tällöin vältetään orgaanisten liuotinten käyttö nestefaasina. Orgaaniset liuotinaineet ovat ei-polaarisia, jolloin puhdas hiili on mahdollista saada sekoitettua niihin. Ne ovat kuitenkin veteen verrattuna kalliita, vaikeasti kierrätettäviä, niiden saata10 vuus on rajoitettua ja useat niistä ovat myrkyllisiä.
Mikäli pulverimainen matriisiaine kuitenkin on ei-polaarinen, kuten fluorinoitu polymeeri, voidaan keksinnössä käyttää myös ei-polaarisia grafeenin muotoja ja/tai orgaanisia liuottimia kuten etanolia, asetonia, isopropanolia jne. Ei-polaarisia grafeenin muotoja ovat kemiallisesti tai termisesti redusoitu grafeenioksidi ja puhdas 15 grafeeni. Puhtaan grafeenin saatavuus on kuitenkin heikkoa verrattuna grafeenioksidiin, jota on suhteellisen helppoa ja edullista valmistaa.
Sekoituksen jälkeen grafeenioksidia sisältävä liuos ja pulverimainen materiaali kompaktoidaan kiinteäksi kohtiomateriaaliksi paineen ja lämpötilan avulla hyödyntäen mm. seuraavia menetelmiä:
- yksiaksiaalinen puristus ja sintraus
- kylmäisostaattinen puristus ja sintraus
- kylmäisostaattinen puristus, sintraus ja kuumaisostaattinen puristus
- lietevalu tai painevalu, kuivaus ja sintraus
- pursotus ja sintraus
- SPS-sintraus (engl. “Spark Plasma Sintering”)
Myös muita olemassa olevia menetelmiä tai niiden yhdistelmiä voidaan käyttää pulverimaisen raaka-aineen ja siihen seostetun laserablaatiota tehostavan materiaalin kompaktoimiseksi kohtiomateriaaliksi. Menetelmät valitaan käytettävien pulveriraaka-aineiden ja kappaleen muodon mukaan.
Kohtiomateriaalia käytetään kompaktoinnin, viimeistelykoneistuksen ja -hionnan jälkeen laserablaatioprosessissa pinnoitteiden lähtöraaka-aineena. Kohtiomateriaaliin kohdistetaan laserpulsseja, jotka innoittavat materiaalia kohtiosta eri mekanismeilla ja niiden yhdistelmällä. Materiaalia irtoaa kohtiosta mm. höyrystymällä, nk. kylmäablaatiolla ja partikkeleina. Olennaista on luoda sellainen yhdistelmä ma35 tehaalien irtoamismekanismeja, että voidaan tuottaa sekä haluttu pinnoitteen ra
20165127 prh 18 -02- 2016 kenne ja kiinnipysyvyys alustamateriaaliin että tuottavuuden parantuminen halutulle tasolle.
Lisäainelisäykset pulverimaiseen lähtöraaka-aineeseen voivat vaikuttaa laserablaatioprosessin tehostumiseen useilla eri mekanismeilla. Lisäainelisäykset voivat 5 parantaa kohtiomatehaalien energian absorptiota, jolloin vaaditaan pienempi energiantuonti kohtiomateriaaliin saman materiaalimäärän irrottamiseksi kohtiosta tuottamiseksi verrattuna pienemmän absorptiokyvyn omaavaan kohtiomateriaaliin. Lisäainelisäys voi vaikuttaa myös energian tunkeutumissyvyyteen kohtiomateriaaliin, jolloin energia absorboituu ohueen pintakerrokseen tunkeutumatta syvemmäl10 le kohtiomateriaaliin. Tällä voi olla edullisia vaikutuksia erityisesti, kun halutaan välttää kohtiomatehaalista irtoavia partikkeleita. Lisäaineilla voi olla myös pulverimaista raaka-ainetta alempi ablaatiokynnys, eli materiaali hajaantuu atomeiksi tai ionisoituu matalammilla energiatasoilla kuin millä puhdas pulverimainen raakaaine ablatoituisi. Luonnollisesti lisäaineet vaikuttavat vain sillä alueella, mihin ne 15 seostuksen ja kompaktoinnin aikana kulkeutuvat. Ääritapauksessa, jos diffuusiota ei tapahdu, lisäaineet ovat olennaisesti partikkelien rajapinnoilla, missä ne vaikuttavat materiaalien irtoamismekanismeihin. Lisäaineet voivat myös heikentää mekaanisesti pulverimaisten partikkelien välisiä liitoksia ja siten edesauttaa erityisesti partikkelien irtoamiseen perustuvaa materiaalin siirtymistä kohtiomateriaalista pin20 noitteeksi. Lisäksi lisäaineilla voi olla vaikutusta kohtiomateriaalin muihin ominaisuuksiin, kuten lämmönjohtavuuteen, raekokoon sekä sähköisiin ja magneettisiin ominaisuuksiin, jotka osaltaan voivat muuttaa laser-materiaalivuorovaikutusta ja ablaatioprosessia verrattuna kohtiomateriaaliin ilman lisäaineita.
Seostuksen käytössä ja pulverimaisten partikkelien kokojakauman valinnassa tu25 lee huomioida, millä mekanismilla laserablaatiota tehostava seostus toimii. Jos laserablaatiota tehostava vaikutus perustuu esimerkiksi partikkelien välisiä sidoksia heikentävään vaikutukseen ja seostus sijaitsee kohtiomateriaalissa partikkelien rajapinnalla, voidaan näin vaikuttaa partikkelien määrään ja kokoon ja siten pinnoitteen mikro- ja nanorakenteeseen. Seostuksen ohella on säädettävä laserpa30 rametreja, jotta kohtiosta irtoava materiaali koostuu sopivassa suhteessa partikkeleista sekä atomisoituneesta ja ionisoituneesta materiaalista sopivan mikrorakenteen, huokoisuuden, adheesion (kiinnitarttumisen) ja pinnoitteen sisältämien partikkelien välisen lujuuden saavuttamiseksi.
20165127 prh 18 -02- 2016
Piirustusten lyhyt kuvaus
Kuvio 1 esittää esillä olevan keksinnön mukaisessa kohtiomateriaalikappaleen valmistusmenetelmässä pulveripartikkeleja ja lisäainetta kiinteässä muodossa;
Kuvio 2 esittää lisäaineen ja nestemäisen liuotinaineen muodostamaa suspensiota 5 astiassa valmistusmenetelmän välivaiheena;
Kuvio 3 esittää pulveripartikkelien ja suspension sekoitusta valmistusmenetelmän välivaiheena;
Kuvio 4 esittää puristettua esiaihiota valmistusmenetelmän välituloksena;
Kuvio 5 esittää esiaihiota sintrauksen jälkeen, joka on hiontaa vaille valmis koh10 tiomateriaalikappale; ja
Kuvio 6 kuvaa perusperiaatetta laserablaatiota hyödyntävästä pinnoitusmenetelmästä, jonka kohtiona voidaan käyttää keksinnön valmistusmenetelmällä valmistettua kohtiomateriaalikappaletta.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus
Keksinnön kuvauksessa viitataan kohtiomateriaalikappaleiden valmistusprosessiin kuvioiden 1-5 mukaisesti.
Keksinnön mukaisessa menetelmässä, sen eräässä sovellusvaihtoehdossa, kohtiomateriaalikappaleen valmistusmenetelmä käsittää seuraavat vaiheet:
- Valmistetaan suspensio pulverimaisista lähtöaineista (eli raaka-aineista), joka koostuu kokonaan tai osittain oksidikeraamista tai fluorinoidusta polymeeristä, ja lisäaineista, kuten grafeenioksidista tai redusoidusta grafeenioksidista tai puhtaasta grafeenista tai kemiallisesti modifioidusta grafeenista, sekä näiden lisäksi liuottimesta, joka valitaan käytettävien pulverilähtöaineiden mukaan.
- Lisätään suspensioon mahdollisia prosessilisäaineita käytettävien pulverilähtöaineiden ja käytettävän liuottimen sekä kohtiolle (eli kohtiomateriaalikappaleelle) valitun muodonantomenetelmän mukaan. Prosessilisäaineet mahdollistavat mm. kohtion kompaktoinnin myöhemmin tai ovat muita kohtion käsittelyssä ja valmistuksessa käytettäviä seosaineita.
- Aikaansaadaan suspensioon olennaisesti eri aineiden muodostama homogeeninen dispersio sekoittamalla suspensiota kuulamyllyllä, ultraäänikavitaatiolla tai vastaavalla tavalla.
20165127 prh 18 -02- 2016
- Liete- tai painevaletaan homogeeninen suspensio sellaisenaan tai kuivataan jauheeksi muita muodonantomenetelmiä, kuten kylmä- tai kuumaisostaattista puristusta varten.
- Poistetaan muodonannon jälkeen liuotin ja mahdolliset prosessilisäaineet lämmittämällä kappaletta hallitusti.
- Sintrataan kappale korkeassa lämpötilassa, raaka-aineiden alimman sulamispisteen alapuolella ja vakuumiatmosfäärissä tai suojakaasussa, jolloin kohtiomatehaalikappale saa lopulliset fysikaaliset ominaisuutensa, kuten huokoisuuden, raekoon ja mekaaniset ominaisuudet.
Suspensioista puhuttaessa lisäaineiden ja nesteen yhdistelmä on ns. ensimmäinen suspensio, ja kun tähän ensimmäiseen suspensioon lisätään vielä kiinteät kohtion raaka-aineet pulvereina, saadaan aikaan ns. toinen suspensio, jota lähdetään jatkokäsittelemään.
Vaiheissa a) ja b) tapahtuvat aineiden sekoitukset (sekä kiinteiden pulverimaisten 15 aineiden väliset että kiinteiden aineiden ja nesteiden sekoitukset suspensioiksi) voidaan tehdä vapaavalintaisessa järjestyksessä.
Viitaten kuvioihin 1-5, näissä kuvioissa esitetään eräs esimerkki käytettävän valmistusmenetelmän eri vaiheista, välituotteista ja toimenpiteistä keksinnön mukaisen kohtiomateriaalikappaleen valmistamiseksi.
Kuviossa 1 esitetään yllä kohtiomatehaalikappaleeseen haluttava ainakin yksi pulverimainen raaka-aine 11, ja kuvion alaosassa on käyttöön valittu lisäaine 12. Pulverimaisen raaka-aineen ja jauhemaisena kuvatun lisäaineen raekoko ja niiden keskinäiset suhteet voivat olla muutakin kuin mitä tästä yksinkertaistetusta kuvasta voisi päätellä. Pulverimaisia raaka-aineita voi olla useampiakin kuin 1 kpl, samoin lisäaineita voi olla useampia erilaisia, jotka voi olla sekoitettu yhdeksi lisäaineseokseksi 12. Lisäaine 12 on eräässä keksinnön esimerkissä grafeenijohdannainen eli hiiltä käsittävä aine, kuten jokin seuraavista: grafeenioksidi tai redusoitu grafeenioksidi tai puhdas grafeeni tai kemiallisesti modifioitu grafeeni. Näitä grafeenijohdannaisia voidaan myös halutulla tavalla valita ja seostaa kaksi tai useam30 pia, jolloin muodostuu haluttu lisäaineseos.
Kuviossa 2 on esitetty yksinkertaistetusti astia, johon on ensin kaadettu käytettävä liuotin eli nestemäinen aine 13. Liuottimena 13 voi olla vesi tai jokin orgaaninen nestemäinen aine, kuten esimerkiksi etanoli, asetoni tai isopropanoli. Nestemäiseen aineeseen sekoitetaan lisäaine tai lisäaineet 12, ja tällöin saadaan tehtyä 35 sekoituksen jälkeen tasalaatuinen ensimmäinen suspensio.
20165127 prh 18 -02- 2016
Tämän jälkeen kuviossa 3 näkyy seuraava vaihe, jossa muodostetaan toinen suspensio 14. Ensimmäiseen suspensioon sekoitetaan pulverimaiset raaka-aineet 11, ja yhdistelmä sekoitetaan tasaiseksi halutulla menetelmällä. Toisessa suspensiossa 14 aineet ovat niin ikään tasalaatuisesti sekoittuneet toisiinsa, ja toinen suspensio 14 koostuu nesteestä 13, pulverimaisista kohtion raaka-aineista 11 ja halutuista lisäaineista 12.
Tämän jälkeen kuvio 4 kuvaa esiaihion 15 valmistusta. Tässä edellä valmistettu toinen suspensio 14 kaadetaan muottiin 16, jossa voidaan puristuksen ja/tai paineen ja/tai lämpötilan avulla tehdä esikäsittely esiaihioksi 15. Eräässä sovelluksessa esiaihio 15 on valmis silloin, kun liuotinaine 13 ja lisäaineet 12 on saatu toisesta suspensiosta 14 poistettua hallitun lämmittämisen keinoin.
Lopuksi kuviossa 5 esitetään valmiin esiaihion 15 sintrausprosessi, eli sintrauksessa esiaihiota 15 kuumennetaan korkeaan lämpötilaan mutta kuitenkin pysyen alle käytetyn raaka-aineen sulamispisteen (tai usean raaka-aineen tapauksessa alle matalimman sulamispisteen) mukaisissa lämpötiloissa. Eräässä esimerkissä mainittu kompaktointivaihe toteutetaan korotettua painetta ja/tai korotettua lämpötilaa käyttäen siten, että käytettävä maksimilämpötila sintrauksessa pidetään korkeintaan 50-90 %:n suuruisena matalimmassa lämpötilassa sulavan pulverimaisen raaka-aineen 11 sulamispisteestä. Sintrauksessa muodostuu ns. kylmähitsautumisen ja myös diffuusion avulla tiiviisti toisiinsa kiinnittyvät metallijauhepartikkelit, jolloin tuloksena tästä kompaktointivaiheesta on kiinteä ja kova kohtiomateriaalikappale 17. Kyseinen sintrattu kappale on periaatteessa laserablaatioon valmis kohtiomateriaalikappale 17, mutta käytännössä on vielä hyödyllistä hioa kohtiomatehaalikappaleen 17 kontaktipinta (laserpulssien kohtaama pinta) tasaiseksi joko mekaanisesti tai kemiallisesti. Toisin sanoen, kappaleen ulkopintaa voidaan hioa tai viimeistelykoneistaa tasaiseksi niin, että pinnan tasaisuudelle saavutetaan haluttu toleranssi. Eräässä esimerkissä työstetyn pinnan syvimmän kohdan ja korkeimman kohdan tason välinen korkeusero on maksimissaan 500 mikrometriä, ts. toleranssi on max. ± 250 pm. Tällöin laserablaatioprosessissa kohtiomateriaalikappaletta käytettäessä voidaan paremmin hallita kappaleesta irtoavaa materiaalia ja materiaalin hiukkas- ja partikkelikokoja, kun pinta on riittävän tasainen ablaatioprosessia käynnistettäessä.
Hionnan jälkeen valmistusmenetelmä antaa halutuilla ominaisuuksilla varustetun kohtiomateriaalikappaleen 17.
20165127 prh 18 -02- 2016
Kompaktointivaihe toisesta suspensiosta 14 valmiiksi kohtiomateriaalikappaleeksi 17 voidaan toki vaihtoehtoisesti toteuttaa em. mainituin vaihtoehtoisin tavoin, joissa sintraus on aina yhtenä vaiheena käytännössä mukana, koska raaka-aineet voivat yleisesti ottaen olla esimerkiksi metallia tai metallioksidia tai orgaanista ai5 netta, kuten esimerkiksi alumiinioksidia tai teflonia (PTFE). Eräässä keksinnön esimerkissä mainittu pulverimaisten raaka-aineiden yhdistelmä koostuu ainakin 50 %:sesti alumiinioksidista.
Seuraavaksi viitataan kuvioon 6, jossa esitetään perusperiaate laserablaatiosta ja sitä soveltavasta pinnoitusjärjestelystä, jossa voidaan käyttää keksinnön valmis10 tusmenetelmällä valmistettua kohtiomatehaalikappaletta.
Järjestelyn tärkeänä lähteenä on laserpulssilähde 62, joita voi olla yksi tai useampia. Laserpulssilähdettä 62 ohjaa kontrolleri 61, joka voi olla laserlähteeseen integroitu ohjainyksikkö tai jokin ulkoinen tai jopa pilvipalvelun kautta saatava ohjaus laserin käytölle. Laserlähteeseen liittyviä ohjattavia parametreja ovat yksittäisen 15 laserpulssin kesto, peräkkäisten pulssien välinen pulssivälin kesto, pulssin energia tai intensiteetti. Samoin laserpulssien muodostamaan ”säteeseen” voi liittyä optista ohjausta esimerkiksi linssin tai peilien tai mekaanisen suodatuksen muodossa.
Pulssijonoa 63 voidaan myös tarvittaessa jakaa useaksi erilliseksi pulssijonoksi mekaanisesti tai optisesti.
Pulssijono ohjataan ja fokusoidaan haluttuun kohtaan kohtiomateriaalikappaletta 17 (sen hiottua pintaa), joka on etukäteen valmistettu keksinnön mukaisella menetelmällä. Laserpulssien 63 kohdatessa kohtiomateriaalikappaleen 17 pinnan tapahtuu ns. kylmäablaatio, jossa hiukkasia ja partikkeleja sekä plasmaa irtoaa pienijakoisena ainevirtauksena kohtiomateriaalikappaleen 17 pinnasta. Luonnollisesti 25 ablaatiopiste kohtiomateriaalikappaleen 17 pinnalla täytyy asettaa liikkumaan kohtion pinnalla niin, että materiaalia kuluu tasaisesti, eikä ole vaaraa isojen ”lohkaremaisten” partikkelien irtoamisesta, jos pinta on liian epätasainen. Ablaatiopisteen liike kohtiolla voidaan toteuttaa liikuttamalla lasersädettä esim, laserlähteen tai jonkin optisen elementin pyöritysliikkeen kautta tai liikuttamalla/pyörittämällä itse 30 kohtiomateriaalikappaletta. Kohtion sijaintipaikasta ja sen pinnan kulmasta eli asennosta suhteessa saapuvan lasersäteen suuntaan määräytyy pitkälti se, mihin suuntaan irronnut materiaalivirta 64 lähtee. Tarvittaessa irronnutta materiaalivirtaa voidaan fyysisin suojarakentein estää esimerkiksi palaamasta suoraan laserlähteen 62 suuntaan takaisin ja myös materiaalivirran ”keilan” kaventamiseksi halutun 35 levyiseksi.
20165127 prh 18 -02- 2016
Materiaalivirran saapuessa alustan eli substraatin 65 pinnalle se osuu ja kiinnittyy lujasti kiinni alustan 65 alapintaan (kuvion 6 geometriassa) ja muodostaa näin pinnoitteen 66. Kohtiomateriaalikappaleen 17 rakenteesta ja koostumuksesta sekä laserparametreista riippuu se, millainen pinnoite 66 lopulta syntyy. Tarvittaessa 5 voidaan tuottaa vaikkapa huokoinen pinnoite 66, jossa on tyhjiä osia haluttu prosenttiosuus pinnoitteen koko tilavuudesta. Pinnoitteen 66 materiaali on luonnollisesti määräytynyt alkuperäisen kohtiomateriaalikappaleen valmistusprosessissa jo pulverimaisten raaka-aineiden 11 valinnan kautta.
Toisin sanoen, esillä olevan keksinnön keksinnöllinen ajatus käsittää myös valmis10 tetun kohtiomateriaalikappaleen käytön pinnoitteiden valmistusmenetelmissä eri sovelluksia varten laserablaatiolaitteistoa käyttäen. Tällöin kohtiomateriaalikappaleeseen kohdistetaan mainitussa laserablaatioprosessissa ainakin yhden laserlähteen lähettämiä laserpulsseja kohtiomateriaalin irrottamiseksi kohtiomateriaalikappaleesta, ja kyseinen irronnut kohtiomateriaali suunnataan alustalle, jolle muodos15 tuu tällä tavoin pinnoite. Vastaava laserablaatiolaitteisto tyypillisesti käsittää
- ainakin yhden laserlähteen 62 laserpulssien 63 lähettämiseksi
- kohtiomateriaalikappaleen 17, jonka pintaan laserpulssit 63 ohjataan halutuin optisin ja mekaanisin järjestelyin ja
- alustamateriaalin 65, jonka suuntaan ohjataan kohtiomateriaalikappalees- ta 17 irtoava materiaalivirta 64 ja jonka pinnalle muodostuu halutuilla ominaisuuksilla varustettu pinnoite 66 kohtiomateriaalikappaleesta irronneesta materiaalivirrasta 64.
Laitteiston tunnusmerkkeinä on se, että kohtiomatehaalikappale on ennen laserablaatiojärjestelyn ja -prosessin päälle laittamista valmistettu tässä kuvauksessa 25 mainitulla menetelmällä, eri sovellusvaihtoehdot huomioiden. Samalla toki tulee laitteiston eri osat kohdistaa ja sijoitella oikeisiin paikkoihin ja valmistettu kohtiomatehaalikappale sijoittaa tarkalleen haluttuun paikkaan ja suuntakulmaan suhteessa siihen ohjattavaan lasersäteeseen (tai -säteisiin) ja suhteessa alustan sijaintipaikkaan. Tarvittaessa laitteisto voidaan sijoittaa ns. ablaatiokammion sisälle, jolloin 30 ablaatiokammioon voidaan järjestää haluttu atmosfääri kaasujen avulla tai vakuumi. Jälkimmäisessä tapauksessa voidaan siis puhua tyhjiökammiossa tapahtuvasta pinnoitusprosessista.
Keksinnössä pulverimaisella raaka-aineella tarkoitetaan laajasti ottaen raekooltaan vaihtelevaa lähtömateriaalia. Pulveri voi olla siis hyvin hienojakoista, raekoon eli 35 yksittäisen rakeen halkaisijan ollessa jopa alle 1 mikrometrin suuruusluokassa
20165127 prh 18 -02- 2016 (huomioiden sekä kohtion raaka-aine että lisäaine); tai se voi olla karkeampaa, kuten esimerkin halkaisijaltaan olevat raekoot. Eräässä esimerkissä pulverimaisten raaka-aineiden raekoko on alle 3000 nm eli 3 mikrometriä kaikille käytetyille raaka-aineille. Pulveri voi olla raekokokoostumukseltaan olennaisesti tasakokoista, 5 tai raekoko voi vaihdella tiettyjen rajojen välissä. Lisäaineiden raekoko voi eräässä esimerkissä olla alle 1,5 mikrometriä eli 1500 nm kaikille käytetyille lisäaineille.
Lisäaineen tehtävänä on tehostaa laserablaatioprosessia mm. parantamalla absorptiota tai alentamalla ablaatiokynnystä, kuten edellä on kuvattu.
Keksinnön eräässä sovelluksessa keksinnön valmistusmenetelmällä valmistettua 10 kohtiota voidaan käyttää pinnoitteisiin, joita tarvitaan energian varastointi- tai tuotantosovelluksissa. Esimerkkeinä tällaisista sovelluksista ovat erilaiset pinnoitteet litiumioniakuissa. Tarkemmin sanottuna tällaiset pinnoitteet voivat olla Li-ioniakkujen separaattohkalvoissa tarvittavia pinnoitteita.
Keksinnön eräässä sovelluksessa substraatti, jonka päälle pinnoite valmistetaan, 15 on polymeeri.
Tuloksena mainitussa laserablaatioprosessissa saatavista pinnoitteista eräinä esimerkkipaksuuksina voi olla 10-5000 nm, tai vielä tarkemmin rajattuna valmistettavan pinnoitteen paksuus voi olla välillä 200-1500 nm.
Laserablaatioprosessissa voidaan lukuisia parametreja säätää, ja tällaisia para20 metrejä ovat mm. laserlähteen lähettämien laserpulssien toistotaajuus, pulssinpituus eli yhden pulssin ajallinen kesto, pulssiväli eli kahden pulssin välinen ajallinen tauko, pulssien energia tai intensiteetti ja mahdollinen pulssien jakaminen tai muu optinen tai mekaaninen ohjaaminen laserlähteen ja kohtiomateriaalikappaleeseen osumisen välisellä pulssien kulkureiteillä.
Eräässä esimerkissä kohtiomateriaalikappaleeseen kohdistetaan laserlähteen lähettämiä laserpulsseja toistotaajuudella, joka on suurempi kuin 100 kHz.
Eräässä toisessa esimerkissä kohtiomateriaalikappaleeseen kohdistetaan laserlähteen lähettämiä laserpulsseja toistotaajuudella, joka on välillä 500 kHz-40 MHz.
Eräässä esimerkissä laserlähdettä ohjataan niin, että siitä lähtevän yksittäisen la30 serpulssin pituus on alle 100 ps. Pulsseista muodostetaan sarjamuotoinen pulssijono, jota voidaan kytkeä päälle ja pois halutuin ajanhetkin.
Eräässä toisessa esimerkissä laserlähdettä ohjataan niin, että siitä lähtevän yksittäisen laserpulssin pituus on välillä 1-10 ps.
20165127 prh 18 -02- 2016
Eräässä esimerkissä laserlähdettä ohjataan niin, että siitä lähtevän yksittäisen laserpulssin pulssienergia on välillä 2-100 pj. Eräässä toisessa esimerkissä tämä pulssienergia voidaan valita välille 30-100 pj.
Käytettävistä kohtion raaka-aineista puhuttaessa keksinnön eräässä esimerkissä 5 pulverimaisen materiaalin raekoko eli rakeen halkaisija valitaan pienemmäksi kuin 5000 nm.
Eräässä toisessa esimerkissä valitaan kyseinen raekoko eli rakeen halkaisija väliltä 20-2000 nm.
Eräässä keksinnön esimerkissä lisäaine on grafeenioksidia tai redusoitua gra10 feenioksidia tai puhdasta grafeenia tai kemiallisesti modifioitua grafeenia. Yhtenä lisävaihtoehtona on koostaa lisäaineet haluttuna yhdistelmänä em. hiiltä käsittävistä aineista halutuin prosenttiosuuksin sisältäen siis em. 1-4 grafeenipohjaista ainetta.
Keksinnön eräässä esimerkissä käytettävä pulverimainen raaka-aine voi olla epä15 orgaanista materiaalia tai orgaanista materiaalia. Eräässä toisessa keksinnön esimerkissä pulverimainen raaka-aine voi olla haluttua oksidia.
Eräässä keksinnön sovelluksessa mainituista pulverimaisista raaka-aineista puhuttaessa valitaan yhdeksi raaka-aineeksi polytetrafluoheteeni eli teflon (ns. PTFE).
Keksinnön menetelmän lopputuloksena on havaittu, että laserablaatiossa tarvitta20 va ablaatiokynnys, määritettynä energiatiheydellä J/cm2, on keksinnössä valmistetulla kohtiomateriaalikappaleella vähintään 20 % alhaisempi kuin tunnetun tekniikan seostamattomilla kohtiomateriaaleilla.
Esillä olevan keksinnön lisäparametreinä laserablaatioprosessissa ja keksinnön kohtiomatehaalikappaletta käytettäessä, on havaittu irtoavan materiaalin määräksi 25 kohtiomatehaalikappaleesta vähintään 5 mg/J suhteessa kohtiomateriaalikappaleeseen kohdistettuun kokonaislaserenergiaan.
Eräässä keksinnön sovelluksessa voidaan keksinnön kohtiomateriaalikappaleita laserablaatioprosessissa käyttäen valmistaa pinnoitteita, joiden huokoisuus on vähintään 20 tilavuus-% pinnoitteen koko tilavuudesta. Tämä mahdollistuu sopivi30 en laserparametrien (pulssienergia, skannaus) ja prosessiolosuhteiden (paine, lämpötila, kohtion ja alustan välinen etäisyys) käytöllä sekä kohtiomateriaalikappaleen rakenteen ja koostumuksen optimoinnilla.
20165127 prh 18 -02- 2016
Keksinnössä kohtiomateriaalikappaleen kompaktointi voidaan tehdä erillisessä kammiossa. Tämä voi olla kammio, johon on luotu tyhjiö, tai kammioon voidaan ennen toimenpidettä luoda suojakaasun avulla halutunlainen atmosfääri. Suojakaasu voi olla joku haluttu reagoimaton kaasu, joka ei reagoi muiden aineiden 5 kanssa lämpötilan noustessa korkeammaksi kompaktoinnin aikana. Esimerkkinä tällaisesta kaasusta esitellyssä prosessissa on argon.
Esitetyn keksinnön mukaisella menetelmällä on seuraavat edut:
- Voidaan kasvattaa laserablaatiossa materiaalin irtoamisnopeutta kohtiosta ja näin edesauttaa materiaalin siirtymistä pinnoitteeksi alustan pinnalle ja siten vähentää tuotantokustannuksia.
- Voidaan saavuttaa sama tuottavuus pienemmällä laserlähteen (tai laserlähteiden) teholla ja laserenergian käytöllä verrattuna seostamattomaan kohtiomatehaaliin, jolloin voidaan käyttää halvempaa ja pienitehoisempaa laserlaitteistoa.
- Voidaan vähentää kohtiomatehaalin lämpenemistä johtuen pienemmästä energiantuontitarpeesta kohtiomatehaalin pinnalle.
- Voidaan säätää halutulla tavalla partikkelien irtoamiskinetiikkaa kohtiosta ja näin muokata synnytettävän pinnoitteen nano- ja mikrorakennetta; ts. säädellä hallitusti syntyvän pinnoitteen rakennetta ja
- Voidaan vähentää alustamateriaalin termistä kuormaa, jos sama kohtiomateriaalin siirtotehokkuus saadaan aikaan pienemmällä laserenergian käytöllä.
Keksinnössä grafeenipohjainen raaka-aine voi periaatteessa muodostua muistakin hiilen allotrooppisista muodoista, kuten hiilipartikkeleista, grafiitista, nanoputkista 25 ja/tai fullereeneista. Eräässä keksinnön sovelluksessa hiilen eri allotrooppeja voidaan ottaa mukaan useampia erilaisia halutuilla osuuksilla koko grafeenipohjaisesta raaka-aineesta.
Lopputuloksena esillä oleva keksintö mahdollistaa tehokkaamman tuotantoprosessin erilaisten pinnoitteiden valmistukseen, mahdollisesti halvempien tuotanto30 laitteistojen käytön sekä pinnoitteiden räätälöintimahdollisuuden uudella tavalla.
Keksinnössä on mahdollista yhdistellä edellä kuvattuja ja epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa mainittuja yksittäisiä keksinnön piirteitä uusiksi yhdistelmiksi, joissa yksittäisiä piirteitä voi olla otettu mukaan samaan sovellukseen kaksi tai useampia.
Esillä oleva keksintö ei rajoitu ainoastaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia oheisten patenttivaatimusten määrittelemän suojan piirissä.

Claims (17)

  1. Patenttivaatimukset
    1. Menetelmä kohtiomateriaalikappaleen (17) valmistamiseksi, joka kohtiomateriaalikappale (17) on käytettävissä laserablaatioprosessissa, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavat vaiheet:
    5 - Valmistetaan tai otetaan käyttöön kohtiomateriaalikappaleeseen haluttava ainakin yksi pulverimainen raaka-aine (11)
    - Sekoitetaan ainakin yhtä lisäainetta (12) nestemäiseen aineeseen (13) muodostaen olennaisesti tasalaatuisen ensimmäisen suspension (12, 13), jossa mainittu lisäaine (12) on grafeenioksidia tai redusoitua grafeenioksi-
    10 dia tai puhdasta grafeenia tai kemiallisesti modifioitua grafeenia
    - Sekoitetaan mainittu ensimmäinen suspensio (12, 13) ja ainakin yksi mainittu pulverimainen raaka-aine (11) muodostaen olennaisesti tasalaatuisen toisen suspension (14) ja
    - Kompaktoidaan mainittu toinen suspensio (14) paineen ja/tai lämpötilan
    15 avulla kiinteäksi kohtiomatehaalikappaleeksi (17).
  2. 2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuja lisäaineita (12) otetaan mukaan ensimmäiseen sekoitusvaiheeseen ainakin kahta eri ainetta joukosta: grafeenioksidi, redusoitu grafeenioksidi, puhdas grafeeni ja kemialli-
    20 sesti modifioitu grafeeni.
  3. 3. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nestemäinen aine (13) on vesi tai orgaaninen aine.
    25
  4. 4. Vaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nestemäinen aine (13) on etanoli, asetoni tai isopropanoli.
  5. 5. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäinen pulverimainen raaka-aine (11) on oksidia tai orgaanista materiaalia tai
    30 epäorgaanista materiaalia.
  6. 6. Vaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu pulverimaisten raaka-aineiden yhdistelmä koostuu ainakin 50 %:sesti alumiinioksidista.
    35
  7. 7. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valitaan yhdeksi pulverimaiseksi raaka-aineeksi (11) polytetrafluoheteeni.
    20165127 prh 09 -11- 2016
  8. 8. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pulverimaisten raaka-aineiden (11) raekoko valitaan alle 3000 nm suuruiseksi ja lisäaineiden (12) raekoko valitaan alle 1500 nm suuruiseksi.
    5
  9. 9. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisen (12, 13) ja/tai toisen suspension (14) valmistamisessa aineiden sekoitus tehdään kuulamyllyllä tai ultraäänikavitaatiolla.
  10. 10. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että
    10 menetelmä edelleen käsittää seuraavan vaiheen:
    - lisätään toiseen suspensioon (14) ainakin yhtä prosessilisäainetta.
  11. 11. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa kompaktointivaiheessa tehdään toiselle suspensiolle (14) ensin muodonanto esiaihioksi (15) ja tämän jälkeen sintraus.
    15
  12. 12. Vaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa kompaktointivaiheessa esiaihiota (15) lämmitetään ensin hallitusti nesteiden ja mahdollisten prosessilisäaineiden poistamiseksi, ja tämän jälkeen sintrataan käsitelty kiinteästä materiaalista koostuva esiaihio lämmittämällä tätä edelleen hallitusti korkeampaan lämpötilaan kohtiomateriaalikappaleen (17) muodostamiseksi.
  13. 13. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu kompaktointivaihe toteutetaan käyttämällä ainakin yhtä seuraavista menetelmistä: yksiaksiaalinen puristus, kylmäisostaattinen puristus, kuumaisostaattinen puristus, lietevalaminen, pursotus, painevalaminen ja/tai sintraus.
  14. 14. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu kompaktointivaihe toteutetaan korotettua painetta ja/tai korotettua lämpötilaa käyttäen siten, että käytettävä maksimilämpötila sintrauksessa pidetään korkeintaan 50-90 %:n suuruisena matalimmassa lämpötilassa sulavan pulveh-
    30 maisen raaka-aineen (11) sulamispisteestä.
  15. 15. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu kompaktointivaihe toteutetaan kammiossa, jossa voi olla tyhjiö, tai joka voi olla täytetty suojakaasulla.
  16. 16. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompaktoinnin jälkeen
    - tehdään kohtiomateriaalikappaleelle (17) viimeistelykoneistus hiomalla kohtiomateriaalikappaleen pinta tasaiseksi niin, että pinnan korkeus vaihtelee enintään +/- 250 mikrometrin verran.
  17. 17. Jonkin aiemman vaatimuksen 1-16 mukaisella menetelmällä valmistetun
    5 kohtiomateriaalikappaleen (17) käyttö laserablaatioprosessissa, tunnettu siitä, että kohtiomateriaalikappaleeseen (17) kohdistetaan mainitussa laserablaatioprosessissa ainakin yhden laserlähteen (62) lähettämiä laserpulsseja (63) kohtiomatehaalin (64) irrottamiseksi kohtiomateriaalikappaleesta (17) ja kyseinen irronnut kohtiomatehaali suunnataan alustalle (65), jolle muodostuu tällä tavoin pinnoite 10 (66)
FI20165127A 2016-02-18 2016-02-18 Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin FI128192B (fi)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20165127A FI128192B (fi) 2016-02-18 2016-02-18 Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin
PCT/FI2017/050069 WO2017140943A1 (en) 2016-02-18 2017-02-07 Method for adding a graphene-based additive to target material used in the coating applying laser ablation
CN201780023118.8A CN109071357B (zh) 2016-02-18 2017-02-07 将基于石墨烯的添加剂添加至应用激光烧蚀的涂层中使用的靶材的方法
KR1020187026850A KR20180132640A (ko) 2016-02-18 2017-02-07 레이저 어블레이션을 적용하는 코팅에 사용되는 타겟 물질에 그래핀-기반 첨가제를 첨가하는 방법
EP17715510.8A EP3416926A1 (en) 2016-02-18 2017-02-07 Method for adding a graphene-based additive to target material used in the coating applying laser ablation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20165127A FI128192B (fi) 2016-02-18 2016-02-18 Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI20165127A FI20165127A (fi) 2017-08-19
FI128192B true FI128192B (fi) 2019-12-13

Family

ID=58489025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20165127A FI128192B (fi) 2016-02-18 2016-02-18 Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3416926A1 (fi)
KR (1) KR20180132640A (fi)
CN (1) CN109071357B (fi)
FI (1) FI128192B (fi)
WO (1) WO2017140943A1 (fi)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201714988D0 (en) * 2017-09-18 2017-11-01 M-Solv Ltd Method of manufacturing a sensor, sensor, method of manufacturing a filter, filter, and method of manufacturing a porous material comprising a continuous meta
CN113564525B (zh) * 2021-07-26 2022-08-30 中国科学院兰州化学物理研究所 一种石墨烯靶材的制备及其在磁控溅射沉积低摩擦碳薄膜中的应用
CN113695572B (zh) * 2021-08-30 2022-03-11 广东工业大学 一种石墨烯基高熵合金材料的制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007063631A (ja) * 2005-08-31 2007-03-15 Dowa Holdings Co Ltd レーザーアブレージョン用ターゲットおよびその製造方法
CN102637468B (zh) * 2011-02-15 2017-02-15 天津普兰纳米科技有限公司 复合材料、薄膜电极和超级电容器制备
CN102646518B (zh) * 2012-05-08 2014-03-05 同济大学 脉冲激光沉积制备石墨烯电极材料的方法及其应用
CN103044014B (zh) * 2013-01-17 2014-03-12 山东大学 一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法
KR101537942B1 (ko) * 2013-12-26 2015-07-20 한국세라믹기술원 파괴인성이 우수한 그래핀-세라믹 복합체의 제조방법
CN103741094A (zh) * 2014-01-22 2014-04-23 武汉理工大学 石墨烯复合导电氧化物靶材及其透明导电薄膜的制备方法
CN103897304B (zh) * 2014-03-12 2016-05-11 复旦大学 一种石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料及其制备方法和应用
CN104772465B (zh) * 2015-03-10 2017-09-26 国家纳米科学中心 一种贵金属纳米结构、其制备方法及用途

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180132640A (ko) 2018-12-12
EP3416926A1 (en) 2018-12-26
FI20165127A (fi) 2017-08-19
CN109071357B (zh) 2022-04-26
WO2017140943A1 (en) 2017-08-24
CN109071357A (zh) 2018-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Effect of the particle size and the debinding process on the density of alumina ceramics fabricated by 3D printing based on stereolithography
FI128192B (fi) Menetelmä grafeenipohjaisen lisäaineen lisäämiseksi laserablaatiota soveltavassa pinnoituksessa käytettävään kohtiomateriaaliin
KR102085420B1 (ko) 유동성 향상을 위한 마이크로파 플라즈마를 이용한 세라믹 분말의 표면 처리 방법
JP2016532773A (ja) 高エネルギービームと共に目標方法／材料の組合せに適した粉体を用いる、粉体粒子の融解又は焼結による部品の付加的な製造方法
WO2016031279A1 (ja) 積層造形用粉体及び積層造形体の製造方法
WO2016119558A1 (zh) 一种用于直接3d打印金属零件的合金粉及其制备方法
KR20090086945A (ko) 방전표면처리용 전극의 제조방법 및 방전표면처리용 전극
EP2907651A1 (fr) Procédé et dispositif de soudage par induction de pièces en matériaux composites
US10557193B2 (en) Method for manufacturing thin films by utilizing short laser pulses and composite target materials
CN104263199A (zh) 一种环氧树脂涂料及其制备方法和应用
CN105039830B (zh) 交变磁场中金属/陶瓷梯度材料的流延成型制备方法
JP2018188629A (ja) 熱可塑性成形材料粉体の製造方法
WO2009027764A8 (en) Method of production of solid and porous films from particulate materials by high heat flux source
Filippov et al. Effect of laser radiation on the structure of metal–ceramic mixtures based on boron carbide
Gowon et al. The effects of sintering temperature on the densification of mechanically alloyed W-brass composites
RU2669034C1 (ru) Способ получения изделий из порошкового материала 94WC6Co
JP2005028356A (ja) 複合粒子の製造方法、並びにその方法により製造された複合粒子
KUWANA et al. Fabrication of carbon-decorated Al2O3 composite powders using cellulose nanofiber for selective laser sintering
Zhou et al. Fabrication and characterization of Ti6Al4V by selective electron beam and laser hybrid melting
KR100601096B1 (ko) 용사코팅용 나노구조 텅스텐 카바이드-코발트계 분말의 제조 방법
Tang et al. Fabrication of ceramic cores via layered extrusion forming using graphite as pore-forming agent
Chen et al. Study on Preparation of SiC Preform for Electronic Packaging Material
Rodrigues et al. Processing of Copper-Graphite-Alumina Powders by High-Energy Milling
Zhang et al. Effects of Particle Size and Solid Loading on Stereolithography for Preparation of Diamond-Based Composites
Kyogoku et al. Freeform Fabrication of Aluminum Alloy Prototypes Using Laser Melting

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: PULSEDEON OY

FG Patent granted

Ref document number: 128192

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B