Takaisin

Uusia pinnoiteratkaisuja vaativiin olosuhteisiin ja käyttökohteisiin

Väitös sovelletun fysiikan alalta
Väittelijä: DI Hannu Korhonen
Aika ja paikka: 22.2.2019 klo 12, SN200, Snellmania, Kuopion kampus

Diplomi-insinööri Hannu Korhonen tutki ja kehitti väitöskirjatyössään uusia, paremmin toimivia pinnoiteratkaisuja vaativiin olosuhteisiin ja käyttökohteisiin, muun muassa tekniikan, lääketieteen, biotieteiden ja optiikan aloille. Tutkittavien ja kehitettävien funktionaalisten pinnoitteiden valmistuksessa hyödynnettiin laajasti eri fysikaalisia höyrypinnoitusmenetelmiä (PVD, physical vapor deposition) ja -materiaaleja.

Työn keskeisin pinnoitustekniikka oli ultralyhytpulssilaseriin perustuva kylmäablaatiomenetelmä (USPLD, ultra short pulsed laser deposition); pinnoitemateriaaleista mukana olivat amorfinen timantin kaltainen hiili, sekä keraamiset alumiini- ja titaanioksidi.

Väitöstutkimuksen tuloksena havaittiin, että USPLD-tekniikkaan perustuvien pintaratkaisujen avulla pystytään merkittävästi parantamaan tuotteiden keskeisiä toivottuja ominaisuuksia, kuten bioyhteensopivuutta, kulutus- ja korroosiokestävyyttä, puhdistettavuutta, sekä solujen ja proteiinien kiinnittymistä ja ulkonäköä.

 

Ultralyhyisiin laserpulsseihin perustuvaa pinnoitusmenetelmää voidaan räätälöidä

Perinteisessä laserpinnoituksessa lasersäteen osuessa kohdemateriaaliin, esimerkiksi metalliin, materiaali osittain sulaa ja osittain kaasuuntuu. Sulan materiaalin kontrollointi on kuitenkin erittäin vaikeaa, mikä helposti johtaa esimerkiksi pinnan epätasaisuuteen ja ympäröivän materiaalin haurastumiseen.

Ultralyhyet laserpulssit mahdollistavat uudenlaisen, räätälöidyn pinnoitusprosessin. Optimoimalla pulssin kesto, taajuus ja intensiteetti tarkoin, sekä kohdistamalla lasersäde oikein, lähtömateriaalia voidaan höyrystää säteellä tyypillisesti muutamia satoja nanometrejä paksusta kerroksesta niin nopeasti ja voimakkaasti, että se kaasuuntuu ilman taustan merkittävää lämpenemistä ja näkyvää sulamisprosessia.

Kun suurin osa kaasusta on täysin ionisoitunutta, eli muuttunut korkeaenergiseksi plasmaksi, se laajenee suurella nopeudella keilamaisesti osuen pinnoitettavan kappaleen pinnalle muodostaen hyvin kiinnipysyvän ohutkalvon.

Menetelmällä on useita etuja, muun muassa soveltuvuus myös reaktiiviseen pinnoitukseen sopivassa kaasuatmosfäärissä, soveltuvuus erilaisille kiinteille kohtiomateriaaleille, kohtiomateriaalin helppo vaihdettavuus, mahdollisuus valmistaa komposiitteja ja monikerrosrakenteita, sekä soveltuvuus huonosti lämpöä kestäville taustamateriaaleille.

 

Uusia pinnoiteratkaisuja voidaan hyödyntää teollisuuden työkaluissa, lääketieteellisissä instrumenteissa, optisissa elementeissä ja antureissa

Tutkimuksessa hyödynnettäviä materiaaleja olivat erityisesti amorfinen timantin kaltainen hiili, hiilinitridi ja muut kulutusta kestävät ja bioyhteensopivat materiaalit, muun muassa keraamiset alumiini- ja titaanioksidi. Samat pinnoiteratkaisut soveltuvat hyvin niin konepaja- ja prosessiteollisuuteen, kuin lääketieteellisiin ja optisiin sovelluksiin, sekä anturivalmistukseen tai muovituotteille.

Työssä käytetyt kulutusta kestävät pinnoitteet valmistettiin pääosin USPLD-korkeaenergia-plasmatekniikalla korkeassa tyhjiössä (100 µPa-50mPa). Erittäin hyvin kulutusta ja korroosiota kestävä amorfinen timantin kaltainen hiilikerros niin konepajateollisuudessa käytettävien silopainantatyökalujen ja kierretappien, kuin lääketieteellisten luuruuvien pinnoille muodostui hiili-ioneista koostuvasta plasmasta. Optisten prismojen linssipinnat pinnoitettiin kulutusta kestävällä ja optisesti kirkkaalla alumiinioksidipinnoitteella.

Nanokokoinen titaanioksidipinnoite kontrolloimaan muun muassa solujen ja proteiinien kiinnittymistä, sekä parantamaan kemiallisten antureiden selektiivisyyttä, tuotettiin karkeammassa happirikkaassa tyhjiössä (20 mPa).

Tutkimuksessa havaittiin, että optimoiduilla prosessiparametreillä, ultralyhyisiin laserpulsseihin perustuvalla pinnoitusmenetelmällä saadaan kontrolloidusti kasvatettua uusia toiminnallisia ja sovelluskohteissaan aiempaa paremmin toimivia ohutkalvo-pinnoiteratkaisuja, joita voivat hyödyntää usean eri alan toimijat.

 

Tuotantomääriä voidaan kasvattaa tulevaisuudessa huomattavasti

Perinteisten lyhytpulssilasertekniikkaan perustuvien pinnoitusprosessien ongelmana on ollut tarvittavan laitetekniikan heikko käytettävyys ja luotettavuus sekä se, ettei tarvittavia pinnoitteita ole kyetty tuottamaan riittävän suuressa mittakaavassa. Viime vuosien aikana kylmäablaatiopinnoituksessa hyödynnettävät piko- ja femtosekuntialueen pulssilaserit ovat yleistyneet, tulleet aiempaa kompakteimmiksi, ja niiden tehot ovat kasvaneet nopeasti 100-300 watin tasolle, joten menetelmää pystytään nyt soveltamaan myös kaupallisiin tarkoituksiin.

Sarjatyyppinen ja jatkuvatoiminen rullalta-rullalle -massavalmistustekniikka mahdollistaa jatkossa erittäin suurienkin tuotantomäärien kustannustehokkaan valmistamisen ultralyhyisiin laserpulsseihin perustuvalla pinnoitusmenetelmällä.

DI Hannu Korhosen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Novel Coatings for Tools, Instruments and Probes (Pinnoitteiden sovelluksia työkaluissa, instrumenteissa ja antureissa) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori Petri Vuoristo Tampereen yliopistosta ja kustoksena professori Reijo Lappalainen Itä-Suomen yliopistosta.

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa https://kuvapankki.uef.fi/A/UEF+kuvahakemisto/15936?encoding=UTF-8