KORSZERŰ SIC FEJLESZTÉSE BIOANYAGOK FELHASZNÁLÁSÁVAL NEW ADVANCED SIC CERAMICS BASED ON NATURAL BIOMATERIALS

Átírás

1 Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp KORSZERŰ SIC FEJLESZTÉSE BIOANYAGOK FELHASZNÁLÁSÁVAL NEW ADVANCED SIC CERAMICS BASED ON NATURAL BIOMATERIALS GÖMZE A. LÁSZLÓ 1, LIPUSZ DÓRA 2 1,2 Miskolci Egyetem, Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék, 3515 Miskolc-Egyetemváros 1 femgomze@uni-miskolc.hu 2 lipuszdora@gmail.com Az IGREX Kft.-vel együttműködve természetes bioanyagok felhasználásával sikerült nagy tisztaságú szilícium-dioxidból olyan új, korszerű szilícium-karbid hab-kerámiákat előállítani, amelyek alkalmasak lehetnek a kis testsűrűségű, nagy mechanikai szilárdságú és keménységű kerámia erősítésű könnyűfém kompozitok kifejlesztésére, gyártására. Vizsgálataink során a nagy finomságú fehérvárcsurgói kvarcliszthez különböző bekeverési arányban az Igrex Kft. által kifejlesztett növényi eredetű, IG-R1 adalékanyagot adtunk, majd próbatesteket készítettünk a Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék laboratóriumában található sajtológépen, melyet a tanszéki laborkemencében szintereltünk. Az új technológiával előállított, korszerű SiC kerámiáknak szeretnénk bemutatni az anyagszerkezetét (SEM), és röntgen-diffraktogramos elemzését (XRD). Kulcsszavak: SiC, bioanyagok, hetero-modulus, High-tech kerámiák, CMC. On the basis of collaboration with IGREX Ltd the authors have investigated the siliconcarbide materials using biooriginal additives and high purity SiO 2. These new developed SiC-ceramic foams have excellent material structure with high porosity and low density suitable as reinforcing materials for light metal alloy composites. To developed SiC cellular ceramic composites the authors use high purity SiO 2 powders mined in Fehérvárcsurgó and biomaterial reagent additives made by IGREX Engineering Service Ltd. from renewable vegetable materials under trade-name IG-R1. In this work the authors show the materials structure (SEM) and XRD analysis of this new SiC-foams prepared by new special knowhow. Keywords: SiC, biomaterials, hetero-modulus, High-tech ceramics, CMC. Bevezetés A hetero-modulusú anyagok szerkezeti felépítésüket tekintve egyidejűleg számos eltérő Young-rugalmassági modulusszal rendelkező részecskékből építkeznek fel, melyek a nagyon kedvező tulajdonságokkal rendelkeznek különösen a nagyobb dinamikai terhelés esetén [1, 2]. Kedvező mechanikai és fizikai tulajdonságaiknak köszönhetően a műszaki életben egyre elterjedtebbek a nitridek, a boridok és a karbidok [3, 4, 5], mivel ezek az anyagok ahogyan az az 1. ábrán is látható magas olvadáspontúak, nagy rugalmassági modulussal rendelkeznek és extrém körülmények között is stabilak maradnak.

2 452 Gömze A. László Lipusz Dóra 1. ábra. A korszerű anyagok olvadáspontja és rugalmassági modulusa [1] Erre alapozva kutatásunk témájául az egyik legelterjedtebb karbidot, a szilícium-karbidot választottuk, melynek néhány fontos tulajdonságát az 1. táblázatban foglaltuk össze. Magas olvadáspont C Alacsony sűrűség 3,1 g/cm 3 Nagy nyomószilárdság 3,900 GPa Alacsony hőtágulási együttható 4, / C Jó hővezetőkésség 120 W/m K Nagy keménység 28 GPa (HV) Magas Young-modulus 510 GPa Kémiailag ellenálló kivéve a foszforsav 1. táblázat. A SiC fontosabb tulajdonságai Kopásállósága és keménysége (9,5 a Mohs skálán) miatt a szilíciumkarbid kiváló abrazív alapanyag; ugyanakkor alacsony testsűrűsége, nagy mechanikai szilárdsága és magas olvadáspontja miatt gyakran alkalmazzák erősítő anyagként a műanyag, fém- és kerámia mátrixú kompozítok előállításánál gyártásánál is [5, 6, 7, 8]. 1. Próbadarab készítés Az alapanyagok megválasztásánál fontos szempont volt, hogy lehetőleg hazai, könnyen beszerezhető, ellenőrizhető és jó minőségű anyagokat legyenek. Ennek figyelembevételével vizsgálatainkhoz ásványi alapanyagként az üveggyártáshoz használt fehérvárcsurgói nagy tisztaságú kvarcliszt finomfrakcióját (2. ábra) választottuk; míg bioanyagként az Igrex kft. által kifejlesztett IG-R1-es növényi eredetű, szárított, elő-hőkezelt és dúsított reagens szolgált. Ez a mezőgazdasági hulladékokból dúsítás és tisztítás után nyert őrlemény laza, könnyű szerkezetű, fehér porszerű anyag melynek mikroszerkezete a 2. ábra látható.

3 Korszerű SiC fejlesztése bionyagok felhasználásával ábra. Nagy tisztaságú SiO 2 por mikro-szerkezete Az Igrex Kft. által mezőgazdasági alapanyagból dúsítás és tisztítás után nyert IG-R1 márkajelzésű őrlemény laza, könnyű szerkezetű, fehér porszerű anyag melynek mikroszerkezete a 3. ábrán látható. Az ábrán jól megfigyelhető a bioeredetű reagens anyag lemezes, sejtfalas szerkezete, a közöttük lévő hézagtérfogattal. 3. ábra. Az IG-R1 márkajelzésű bioeredetű reagens mikroszerkezete A kiválasztott alapanyagokat 11 különböző arányban kevertük be (IG-R1 aránya: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60 m/m%), majd minden adagból 5 grammos próbatesteket préseltünk egytengelyű sajtolással. A molltömegek arányát figyelembe véve tökéletes reakció esetén a 70 m% SiO m% IG-R1 bekeverésnél vártuk a tiszta SiC rendszert, a kevesebb SiO 2 tartalomnál SiC-C a magasabb SiO 2 tartalomnál pedig SiC-SiO 2 rendszerek kialakulását létrejöttét feltételeztük. A homogenizáláshoz és száraz őrléshez Retsch PM400 típusú bolygómozgású golyósmalmot használtunk. minden keveréket 5 percig őröltünk 200 fordulat/perc-es fordulatszámmal.

4 454 Gömze A. László Lipusz Dóra A keveréket 5 grammonként 15 mm-es présszerszámba töltöttük, és 48kN erővel préseltük, ami esetünkben 271,63 N/mm 2 sajtolónyomást jelent [9]. Az égetés során azt akartuk elérni, hogy a bioanyagból származó szén a bekevert SiO 2 - től vonja el az oxigént, ezáltal CO 2, SiC és H 2 O keletkezzen. Az első szinterelés után a kiégetett, mechanikailag megszilárdult darabok vizsgálatakor kiderült, hogy a karbonizáció nem ment végbe a kívánt módon, mivel az argon védőgáz nem tudta megakadályozni, hogy a növényi rostokban található szén és szénhidrogének kigőzölögjenek. Ezért az Igrex Kft. által erre a célra kifejlesztett speciális hőkezelési technológiát alkalmaztuk, amely a nagynyomású technológiákhoz hasonlóan megakadályozta a növényi anyagokból a szénvegyületek kigázosodását. 2. Az előállított szilícium-karbid vizsgálata scanning elektronmikroszkóppal A kiégetett mintadarabok töretfelületéről a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszéken található Hitachi TM1000 típusú scanning elektronmikroszkóppal készítettük a SEM és EDS felvételeket készítettünk a kapott új anyag mikro-szerkezetének és összetételének megismeréséhez és tanulmányozásához. A 4. ábrán jól látható, hogy a speciális (Igrex Know How) égetés során a fehérvárcsurgói kvarcliszt és az IG-R1 bioanyag reagens keverékéből milyen bonyolult, hálós mikro-szerkezetű, habszerű anyag jött létre, alakult ki. 4. ábra. A szinterelt SiC-hab A meglehetősen bonyolult és sokfajta elemből felépülő rendszert nagyobb felbontásban továbbvizsgáltuk, ahol egymástól nagyon különböző kristályformákat, elemeket találtunk (5. és 6. ábra). Ezeknek a többitől eltérő alakzatú szemcséknek megvizsgáltuk a felületi anyagösszetételét is tájékozódási céllal. A tényleges anyagösszetétel meghatározása pordiffrakciós módszerrel, Bruker D8 Advance típusú röntgenkészülékkel történt.

5 Korszerű SiC fejlesztése bionyagok felhasználásával ábra. Szilícium-gömb 72 m/m% szilícium tartalom 6. ábra. Fémes szilícium-sokszöglabda 96,6 m/m% szilícium-tartalommal. A fenti két ábrán jól látható, hogy a kialakult nagy porozitású habszerű szövetszerkezet tele van különböző méretű és geometriai alakzatú szemcsékkel. Ezek EDS vizsgálatakor és elemzésekor azt tapasztaltuk, hogy a SiC szemcsék környezetében a bioanyag felbomlásakor a reagensben lévő nyomelemek feldúsultak és a szilíciummal együtt karbonizálódtak. Az eredetüket tekintve ezek az elemek származhatnak a talajból, vagy mezőgazdasági termelésből. Ez különösen jól megfigyelhető a 7. ábrán, ahol a foszforral, arzénnel és fémionokkal feldúsult IG-R1 bioeredetű adalékanyag reagens beépülve a szövetszerkezetbe számtalan olyan elemet juttatott a kialakuló új SiC anyagszerkezetébe, amelyet maga a fehérvárcsurgói nagy tisztaságú kvarcliszt nem tartalmazott.

6 456 Gömze A. László Lipusz Dóra 7. ábra. Arzén, foszfor és fémionok jelenléte a bekarikázott részen 2.1. Röntgen diffrakciós vizsgálat A kvarclisztből és IG-R1 reagens keverékéből előállított kerámia habok ásványtani vizsgálatát a ME Műszaki Földtudományi Kar Ásvány- és Kőzettani Tanszékén található Bruker D8 Advance pordiffrakciós röntgenkészüléken végeztük A 8. ábrán jól látható a speciális szinterelés során létrejött anyagrendszer bonyolultsága. Itt már bizonyosan kijelenthető, hogy a rendszerben benne maradt a karbon, amit a grafitként megjelölt csúcs jelez. Ugyanakkor a nagyobb kvarc-csúcsok arra utalnak, hogy még mindig maradt tiszta SiO 2 is, amely többnyire krisztobalittá alakult át. A jobb oldalon lévő szilícium-nitrid (Si 3 N 4 ) csúcs pedig annak a bizonyítéka, hogy a növény elég sok nitrogént raktározott el az élete során a trágyázás, műtrágyázás következtében.

7 Korszerű SiC fejlesztése bionyagok felhasználásával Kvarc d=4.264 Cristobalit (tetr.) d=4.052 Kvarc d=2.457 Lin (Counts) Kvarc W L-alfa1 kontaminacio d=4.440 Kvarc W L-alfa1 kontaminacio d=3.492 Grafit???? d=3.381 Cristobalit (tetr.) d=3.141 Cristobalit (tetr.) d=2.850 Si-nitrid???? d=2.553 Cristobalit (tetr.) d= Theta - Scale Biocarb-II-1 - File: biocarb-ii-1 hosszu pot.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: 1.00 s - Temp.: 25 Biocarb-II-2 - File: biocarb-ii-2 hosszu pot.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: 1.00 s - Temp.: 25 Biocarb-II-3 - File: biocarb-ii-3 hosszu pot.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: 1.00 s - Temp.: ábra. Biokarbid pordiffrakciós felvétele Összegzés Kutatásunk célja hogy két, Magyarországon található, illetve könnyen előállítható mindennapi alapanyag segítségével állítsunk elő high-tech szilícium-karbidot úgy, hogy a karbont bioeredetű reagens anyag hozzáadásával juttatjuk be a szilícium-dioxidhoz egy IGREX Kft. által kifejlesztett reaktív szinterelési eljárás mellett teljesült. A létrejött anyagszerkezetet tekintve a finomszemcsés komponensek főleg azokat a fémionokat (kálium, tallium, kalcium, réz, ezüst, bárium) tartalmazzák, amelyeket a növényi eredetű bioanyagok a fejlődésük során a környezeti talajból felvettek és beépítettek a sejtfalaikba. Célunk a kapott szilícium-karbid utóhőkezelése, könnyűfém-olvadékkal való ötvözése, ezáltal hetero-modulusú komplex kompozitok, illetve hibrid anyagok létrehozása. Köszönetnyilvánítás Köszönetet illeti mindenekelőtt Dr. Gömze A. Lászlónét, az IGREX Kft. ügyvezetőjét a rendelkezésünkre bocsátott reagensért és know-how-ért, valamint a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék munkatársait, Gál Károly műszerészt, a labortevékenységek segítésében és Géber Róbert tudományos segédmunkatársat a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatok elkészítésében. A Földtudományi Kar Ásvány- és Kőzettani Intézeténél végzett vizsgálatokért köszönet illeti meg Kristály Ferenc tanszéki mérnököt is. Ez a beszámoló és projekt a TÁMOP B-10/2/KONV finanszírozásával és támogatásával készült el.

8 458 Gömze A. László Lipusz Dóra Irodalom [1] László A. Gömze, Ludmila N. Gömze: Hetero-modulus alumina matrix nanoceramics and CMCs with extreme dynamic strength; IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 18 (2011) [2] Sergey N. Kulkov, Nikolai L. Savchenko: Wear behavior of zirconia-bazed ceramics under high-speed dry sliding on steel; Építőanyag 2008/3. [3] Natalia I. Ershova, Irina Yu. Kelina: High-temperature wear-resistant materials based on silicon nitride; Építőanyag 2009/2. [4] László A. Gömze, Ludmila N. Gömze: Alumina-based hetero-modulus ceramic composites with extreme dynamic strength phase transformation of Si3N4 during high speed collisions with metallic bodies; Építőanyag 2009/2. [5] Z. Károly, I. Mohai, Sz. Klébert, A. Keszler, I. E. Sajó, J. Szépvölgyi: Synthesis of SiC powder by RF plasma technique (Powder Technology 2011, o.) [6] V. A. Izhevskyi, L. A. Genova, A. H. A. Bressiani, J. C. Bressiani: Liquid Phase Sintered SiC. Processing and Transformation Controlled Microstructure Tailoring (Materials Research 2000, o.) [7] R Naslain: Hybrid Ceramic Matrix Fibrous Composites: an Overview; IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 18 (2011) [8] Hegman N., Szűcs P., Lakatos J.: SiC védőréteg létrehozása karbonszálon gyors hevítéses módszerrel; Építőanyag 2003/3. [9] Judit Csányi : Rheological characteristics of alumina powders in dry pressing technology; Építőanyag 2009/1. [10] Kristály Ferenc, Gömze A. László: Remnants of organic pore-forming additives in conventional clay brick materials: Optical Microscopy and Scanning Electron Microscopy study; Építőanyag 2008/2.