KORSZERŰ MŰSZAKI KERÁMIÁK

Átírás

1 XXIX. Téglás Napok Balatonvilágos, 2014 KORSZERŰ MŰSZAKI KERÁMIÁK Egy figyelemre méltó anyagcsalád Szépvölgyi János MTA Természettudományi Kutatóközpont

2 Miért korszerűek? 2

3 Feszültség Miért korszerűek? Elméleti feszültség Módosulatváltozással szívósított kerámia (rideg) Kerámia (rideg) Fém (képlékeny) Módosulatváltozással szívósított és optimált szerkezetű kerámia (kvázi-képlékeny) Alakváltozás 3

4 Miért korszerűek? Mert szívósak Airbus 320 gázturbina kiömlő nyílása CMC, üzemi hőmérséklet 700 o C Próbapados kísérletek 2013 Várható alkalmazás

5 Miért méltóak a figyelemre? Különleges tulajdonság-kombinációk: kis sűrűség, nagy alkalmazási hőmérséklet, kopásállóság, korrózióállóság Feldolgozóipar Energetika, közlekedés Hadiipar Növelt élettartam Növelt élettartam Hatékonyabb fegyverzet Csökkentett emisszió Csökkentett emisszió Jobb felderítőrendszerek Olcsóbb fenntartás Kisebb fajlagos energia Kisebb sebezhetőség Jobb energiahasznosítás Kevesebb üzemanyag Növelt megbízhatóság Jobb újrahasznosítás Kisebb tömeg és költség Csökkentett költségek 5

6 Egy példa A kerámia alapú katalitikus konverterek 1980 óta tonnával csökkentették a légszennyezést 6

7 Korszerű kerámiák világpiaca I USD USD

8 Korszerű kerámiák világpiaca II. Monolit kerámiák 84%, Bevonatok 10%, Társított kerámiák 6% Üvegárúk 55% Műszaki kerámiák 17% Fehérárúk 10% Mázas porcelán 9% Tűzálló anyagok 7% Tégla, cserép 2% Kondenzátorok, burkolatok 36% Elektronikai kerámiák 23% Egyéb termékek 13% Elektrotechnikai porcelánok 12% Szerkezeti kerámiák 8% Optikai szálak 8% 8

9 Fő felhasználási területek Elektronika, elektrotechnika Félvezetők, kondenzátorok Autóipar, repülőgépipar Katalizátorok, motorelemek, csapágyak, részecskeszűrők, érzékelők Hadiipar Kerámia páncélzat Egészségügy Protézisek, fogpótlás 9

10 Merre tartunk? Forró témák 10

11 Új anyagok Kerámia érzékelők és beavatkozók Autóipar, környezetvédelem Orvos-biológiai kerámiák Implantátumok (biokompatibilitás) Célzott hatóanyag bejuttatás Magas hőmérsékletű szerkezeti kerámiák Repülőgépipar, autóipar Energetika SOFC - szilárd oxid tüzelőanyag cellák ( o C) Anód (Ni/YSZ, Ru/YSZ), katód (perovszkitok, SSC) Ionvezető membrán (YSZ, ScSZ) 11

12 Új módszerek, eljárások Nagy tisztaságú, adott méretű kerámiaporok szintézise Fémorganikus elővegyületek (borazinok, fém-alkoholátok) Különleges gyártási módszerek (plazma, lézer, MW) Újszerű, gyors hőkezelési technikák fejlesztése Alacsony hőmérsékletű szinterelés SPS - ívplazmás szinterelés Újszerű társított kerámiák előállítása Különleges felületi bevonatok kialakítása 12

13 Egy új irányzat: nano-kerámiák Különleges méretű kerámia porok különleges tulajdonságok <100 nm Gömbszerű szemcsék Egységes morfológia, szűk méreteloszlás Kémiai tisztaság, nagy felület Tömör kristályos vagy amorf anyagok Szemcsék kevéssé töredeznek Közel elméleti sűrűségűek Hogyan őrizhető meg a nano-jelleg hőkezeléskor? 13

14 Nano-kerámiák alkalmazásai Szerkezeti kerámiák Tömör korrózióálló bevonatok, precíziós turbinalapát-élek Nanoszűrők Elektronikai és optikai kerámiák Több vékony rétegből álló kapacitások Kisméretű elektro-mechanikai eszközök Energiatárolás és megtakarítás Tüzelőanyag cellák Olcsó napelemek Biológiai alkalmazások Bioanyagok (mesterséges szívbillentyűk) Szabályozott hatóanyag leadású anyagok 14

15 Kerámia porok előállítása

16 Nanoporok előállítása termikus plazmában

17 Ni-Zn ferritek előállítása plazmában Átlagos szemcseméret nm Curie pont o C Telítési mágnesezettség emu g -1 Inverz spinelek Újszerű alkalmazások Orvosi diagnosztika, célzott hatóanyag bejuttatás Különleges rétegek és kerámiák kialakítása Mohai I et al. Solid State Ionics 141 (2001)

18 Formázás és hőkezelés

19 Monolit kerámiák hőkezelése Alapanyagok (Si3N4, Al2O3, Y2O3) összekeverése Intenzív őrlés attritorban Száraz sajtolás PEG jelenlétében (220 MPa) Hőkezelés (HP) ( C, 200 MPa) 19

20 Szén nanocsővel erősített Si3N4 szinterelése Kiindulási porkeverék Préselés 220 MPa 1700 C, 3h, 200 bar N2 Tömör kerámia kompozit Rugalmassági modulusz: 210 GPa Hajlítószilárdság : 449 MPa Szépvölgyi J et al. Mater. Sci. Forum 729 (2013) 31

21 Kerámia réteg kialakítása plazmaszórással Az elv Anód Kerámia por Plazma gáz Katód Megolvadt részecskék Felületi bevonat Az eredmény Felületi elválás HA Ti A gyakorlat 50 µm Al2O3 zárvány Ti-6 Al-4V Károly Z et al. Intnl. J. Appl. Ceram. Techn. 10 (2013) 72

22 Néhány saját fejlesztési eredmény

23 HT-RAM (Svéd Nano) A probléma A megoldás! HT-RAM

24 HT-RAM (Svéd Nano) MTA TTK AKI GKN HT-RAM bevonatos terelőlemezek Jó hősokkállóság Számottevő MW elnyelés MTA TTK AKI Szélessávú elnyelés Több kerámia réteg Különböző elnyelési mechanizmusok Szépvölgyi J. Hadiipari Kutatók és Fejlesztők Napja

25 Biokerámia: nano-hap Intenzív őrlés foszforsavban (5h) Alapanyag: tojáshéj Nano-HAP Ca5(OH)(PO4)3 Hőkezelés (900 o C, 2 h) Lamellás szerkezet Balázsi Cs et al. JECS 27 (2007)

26 Nano-HAP: in vivo és klinikai kísérletek Kontrol minta CT felvétele 8 hét után Beültetett nano-hap CT felvétele 8 hét után Implantátum beültetése: az implantátum és a szövet között nano-hap réteg. Gyors összenövés fertőzés nélkül. Lee S.W. et al. Oral Surgery, Oral Medicine 113 (2012)

27 Szénnel bevont mágneses nanorészecskék CEMNPs Szénréteg MNP Célzott hatóanyag bejuttatás és terápia Bystrzejevski M et al. Mater. Res. Bulletin 46 (2011)

28 Hazai helyzetkép Kutatás BAYATI ME MTA TTK (AKI, MFA) PE Gyártás BAKONY Ipari Kerámia Kft. GAMMA Kerámia Kft. HK CERAM Kft. IBIDEN Hungary Kft. IMERYS Tűzállóanyaggyártó Kft. INTERKERÁM Kft. IZOKERAM Kft. KEROX Kft., KEROX DENTAL Kft. MIKERON Kft. SZIKKTI Labor Kft. 28

29 Zárógondolatok Korszerű műszaki kerámiák nagy perspektívák A lehetőségek kihasználása intenzív K+F+I Fontosabb lépések Kívánalmak pontos meghatározása Ismert alapanyagok vizsgálata, igény szerinti anyagfejlesztés Az alkatrész/eszköz prototípusának megtervezése és elkészítése A kész alkatrész/eszköz minőségi vizsgálata A prototípus tesztelése szimulált és valós körülmények között A gazdaságos gyártási folyamat megtervezése és optimálása 29

30 30