A 1. század lehetőségei a kerámiák kutatása és fejlesztése területén Gömze A. László, Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék Miskolci Egyetem Tel.: +36 30 746 714 femgomze@uni-miskolc.hu http://keramia.uni-miskolc.hu Építőanyagipar A kerámiaipar struktúrája napjainkban Magyarországon Trianon óta a legalacsonyabb (011-ben 008-hoz viszonyítva 30 % körüli, amelyből export 4-48%) 48%) Műszaki kerámiák Folyamatosan növekszik (a növekedés motorja az export, amely több, mint 90%.) Biokerámiák Ugrásszerűen növekszik (elsősorban hazai felhasználásra alapozva) 011-ben a kerámiaipar árbevétele mintegy 106-108108 % volt 008-hoz viszonyítva. 1
Kutatási és fejlesztési lehetőségek az építési kerámiák területén Hőszigetelés növelése, passzív házak építőanyagai Magas pórustérfogatú kerámiák és kerámia habok Ioncserés felületkezelt építési teherhordó üvegek Bányarétegződések hatásának feltárása A gyártástechnológiára és technológiai műveletekre A gyártott termék vagy termékek fizikai és mechanikai tulajdonságaira Alapanyag és technológia együttes hatásának kutatása, fejlesztése Kutatási és fejlesztési lehetőségek a műszaki kerámiák területén Az anyagtudomány egyik legdinamikusabban fejlődő területe A periódusos rendszer 88 eleme rendelkezik kerámia módosulattal, és egymással különböző kombinációkban új kerámia anyagokat létrehozni Becslések szerint a ma ismert kerámia módosulatok és kombinációk száma: N= 10 18. Új kerámia kompozitok fejlesztése fémekkel és polimerekkel Polimerek és bioanyagok által generált műszaki kerámiák Kerámia bázisú hetero-modulusú és hetero-viszkózus komplex anyagok Hibrid anyagok
A hetero-modulusú anyagok előnyei (IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 18 (011) DOI:10.1088/1757-899X/18/8/08001.) 899X/18/8/08001.) Egyszerre több Young modulussal rendelkeznek Magas töréssel szembeni tolerancia Képesség a repedésterjedés során kialakuló rugalmas energia tárolására és elnyelésére Jó hősokk-állóság A hetero-modulusú és hetero-viszkózus komplex anyagok előnyei (Építőanyag, 6. (010.) pp. 98-101.) Magas törési és deformációs tolerancia Képesség: elnyelni és egyenletesen elosztani az ütközési energiát relaxálni az ütközés során ébredő mechanikai feszült- ségeket 3
Néhány kiváló dinamikai szilárdsággal bíró komplex anyagszerkezet Gépkocsi gumiköpeny Aszfaltkeverék Hetero-modulusú és Heterohetero--viszkózus hetero részecskékből kialakított kerámia Kerámiák területén végzett kutatásaim fő célja A komplex anyagszerkezetek mechanikai tulajdonságaira alapozva alacsony testsűrűségű új kerámiák és kerámia kompozitok kifejlesztése néhány olyan extrém tulajdonsággal, mint: mint: Dinamikai szilárdság Keménység, Hősokk-állóság 4
Kutatásaim fő iránya Kerámia bázisú hetero-modulusú és hetero-viszkózus komplex anyagrendszerek kifejlesztése szállító járművek és repüléstechnikai eszközök védelmére fémekkel történő nagy sebességű ütközések esetén. u 1000 m/s. Nagy porozitású, alacsony sűrűségű, kerámiák és kerámia habok kifejlesztése könnyűfém ötvözetekkel erősített, megnövelt dinamikai szilárdságú és hősokk-állóságú, alacsony testsűrűségű hetero-modulusú kerámia kompozitok előállításához. A kerámia kompozitok tipikus tönkremenetele nagy sebességű (u 1000 m/sec) ütközések során (Proceeding of XI th Khariton s Topical Scientific Readings, Sarov, 009, pp. 34-38.) 38.) Typical destruction of ceramic composites (L=3 mm) during high speed collision Typical destruction of ceramic composites (L=4 mm) during high speed collisions 5
A nagy sebességű ütközések energiaelnyelése a hetero-modulusú és hetero- viszkózusú komplex anyagrendszerekben (Proceeding of XI th Khariton s Topical Scientific Readings, Sarov, 009, pp. 34-38.) 38.) Complex material has several Young s modulus (E=var.) and viscosity (η=var.) Flying (hit) object has inhomogeneous density (ρ const.) u n i= 1 ρ V i i = W H + W p + W s + E ρ i : density of the i-th component of flying object; [kg/m 3 ] A 1j and A j : surface of fractures of j-th Young s modulus component of hetero-modulus body [m ] A 3j : surface of deformed j-th Young s modulus component of hetero-modulus body [m ] E j : The Young s modulus of the j-th component of hetero-modulus body ; [N/m ] i=1,,, n: the number of different density components of flying object j=1,,, n: the number of different Young s modulus components of hetero-modulus body l 1j and l j : deep and movement of fractures of j-th Young s modulus component of hetero-modulus body [m] l 3j : Size of deformation of j-th Young s modulus component of hetero-modulus body [m] R and R Pj Sj : the pressure and shear strength of j-th Young s modulus component of hetero-modulus body [N/m ] V i : volume of i-th component of flying object [m 3 ] M j j= 1 A 3 j l 3 j + η K k k = 1 A 4k l 4k A nagy sebességű ütközés során ébredő mechanikai feszültség relaxációja a hetero-modulusú és hetero-viszkózusú komplex anyagrendszerekben (Thesises of XIII th Khariton s Topical Scientific Readings, Sarov, 011, pp. 160-16.) 16.) τ + + = C η η C η 1 η e n τ e 1 η 1 η e n τ 1 e + 1 + n τ + 0 η 1 4 η e n τ τ 0 η 1 4 η e n τ 0 n γ η 1 η η 1 η η 1 + η η 1 + 1 + n τ n γ 1 + η n τ n γ η 1 + 1 + n τ n γ 1 + η n τ n γ η 1, η and η e : viscosities of elastic-viscous-plastic, elastic-viscous parts and effective viscosity of the hybrid hetero-modulus and hetero-viscous body;[pas] τ 0 and τ : static yield point of body and shear stress developed during deformation and destruction in the material [Pa] n τ and n γ : stress relaxation time and delay time of elastic deformation [s] C 1 and C : constants of integration; [-] 1 t t + + 6
A hetero-modulusú könnyűfémmel impregnált kerámia kompozitok előnyei Having multiple values of Young s modulus therefore these composite materials have ability to absorb and dissipate the elastic energy during crack propagation. Thanking to ceramic particles these material compositions have better hardness and wear resistancy. A hetero-modulusú könnyűfémmel impregnált kerámia kompozitok előnyei Due to metallic parts these heteromodulus composite materials have much higher thermal conductivities and better thermal shock resistances. 7
Az IGREX Kft. által kidolgozott módszer nagy sűrűségű, extrém dinamikai szilárdságú, c-si 3 N 4 gyémántszemcsékkel erősített Al O 3 CMC előállítására (IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 18 (011) DOI:10.1088/1757-899X/18/8/08001.) 899X/18/8/08001.) Selection of acceptable ceramic raw materials for matrix. Selection of additives for reinforcements. Preparing the mixtures of raw materials and additives. Shaping and forming specimens from the mixtures. Sintering the formed specimens. Examination of the quality of the sintered specimens with high dynamic strength. Forming method to achieve high density CMCs A nagy sebességű tömörítő szerszámmal történő alakadási módszer számos meglévő berendezésre is adaptálható (Így például a Prof. Bragov és csoportja által használt készülékre; State University of Nizhny Novgorod; Russia) 8
Náhány módszer habok és kompozitok előállítására There are several methods to produce foams, cellular materials and low density, high porosity composites. Pore Metal Impregnation of the molten metal Az IGREX Kft. által kifejlesztett, fémötvözetek impregnálására szolgáló, nagy porozitású SiCSiC-Si3N4 ikerkristályú kerámia kompozit tipikus anyagszerkezete 9
Az IGREX Kft. által kifejlesztett, fémötvözetek impregnálására szolgáló, SiC hab anyagszerkezete Nedvesítési problémák a könnyűfém ötvözetek kerámia mátrixba történő impregnálásakor Pressure less impregnation method Molten metal θ Materi al Materi Pore al P Pressure impregnation method Contact angle 10
Nem megfelelő nedvesítés során kialakuló tipikus mikroszerkezet a könnyűfém ötvözet Al O 3 kerámia mátrixba történő impregnálásakor Könnyűfém Al O 3 Műszaki kerámiák fejlesztési és alkalmazási lehetőségei termikus és termo-mechanikus mechanikus tulajdonságaik alapján Átvéve: I. Shabalin professzor ic-cmtp Konferencián (Miskolc-Lillafüred, 01. október 8-1.) elhangzott előadásából 11
Műszaki kerámiák fejlesztési és alkalmazási lehetőségei elektromos és dielektromos tulajdonságaik alapján Átvéve: I. Shabalin professzor ic-cmtp Konferencián (Miskolc-Lillafüred, 01. október 8-1.) elhangzott előadásából Műszaki kerámiák fejlesztési és alkalmazási lehetőségei mágneses és villamos vezetési tulajdonságaik alapján Átvéve: I. Shabalin professzor ic-cmtp Konferencián (Miskolc-Lillafüred, 01. október 8-1.) elhangzott előadásából 1
Műszaki kerámiák fejlesztési és alkalmazási lehetőségei optikai tulajdonságaik alapján Átvéve: I. Shabalin professzor ic-cmtp Konferencián (Miskolc-Lillafüred, 01. október 8-1.) elhangzott előadásából Műszaki kerámiák fejlesztési és alkalmazási lehetőségei nukleáris és kémiai tulajdonságaik alapján Átvéve: I. Shabalin professzor ic-cmtp Konferencián (Miskolc-Lillafüred, 01. október 8-1.) elhangzott előadásából 13
Műszaki kerámiák fejlesztési és alkalmazási lehetőségei mechanikai tulajdonságaik alapján Átvéve: I. Shabalin professzor ic-cmtp Konferencián (Miskolc-Lillafüred, 01. október 8-1.) elhangzott előadásából Köszönöm megtisztelő figyelmüket! Gömze A. László, Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék Miskolci Egyetem Tel.: +36 30 746 714 femgomze@uni-miskolc.hu http://keramia.uni-miskolc.hu 14