XXIX. Téglás Napok Balatonvilágos, 2014
KORSZERŰ MŰSZAKI KERÁMIÁK Egy figyelemre méltó anyagcsalád Szépvölgyi János
MTA Természettudományi Kutatóközpont
Miért korszerűek?
2
Miért korszerűek?
Feszültség
Elméleti feszültség
Módosulatváltozással szívósított kerámia (rideg) Kerámia (rideg)
Fém (képlékeny) Módosulatváltozással szívósított és optimált szerkezetű kerámia (kvázi-képlékeny)
Alakváltozás 3
Miért korszerűek? Mert szívósak
Airbus 320 gázturbina kiömlő nyílása CMC, üzemi hőmérséklet ≻700oC Próbapados kísérletek 2013 Várható alkalmazás 2016 4
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
Egy példa
A kerámia alapú katalitikus konverterek 1980 óta 1.7·109 tonnával csökkentették a légszennyezést
6
Korszerű kerámiák világpiaca I.
7.5·1010 USD
2020
2014
3·1010 USD
7
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
Fő felhasználási területek •
Elektronika, elektrotechnika •
•
Autóipar, repülőgépipar •
•
Katalizátorok, motorelemek, csapágyak, részecskeszűrők, érzékelők
Hadiipar •
•
Félvezetők, kondenzátorok
Kerámia páncélzat
Egészségügy •
Protézisek, fogpótlás 9
Merre tartunk? Forró témák
10
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 (500-700oC) •
Anód (Ni/YSZ, Ru/YSZ), katód (perovszkitok, SSC)
•
Ionvezető membrán (YSZ, ScSZ) 11
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
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
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
Kerámia porok előállítása
Nanoporok előállítása termikus plazmában 300 1380 2460 3530 4500 5890 6760 7840 8920 10000 11080 11620
Ni-Zn ferritek előállítása plazmában •
Átlagos szemcseméret •
150 – 242 nm o
•
Curie pont 470-490 C
•
Telítési mágnesezettség
•
-1
•
32 – 64 emu·g
•
Inverz spinelek
Újszerű alkalmazások •
Orvosi diagnosztika, célzott hatóanyag bejuttatás
•
Különleges rétegek és kerámiák kialakítása Mohai I et al. Solid State Ionics 141 (2001) 1163
17
Formázás és hőkezelés
Monolit kerámiák hőkezelése
Alapanyagok (Si3N4, Al2O3, Y2O3) összekeverése
Intenzív őrlés attritorban
Száraz sajtolás PEG jelenlétében (220 MPa)
Hőkezelés (HP)
(17000C, 200 MPa)
19
Szén nanocsővel erősített Si3N4 szinterelése Kiindulási porkeverék 1700°C, 3h, 200 bar N2
Préselés 220 MPa
Tömör kerámia kompozit
Rugalmassági modulusz: 210 GPa Hajlítószilárdság : 449 MPa Szépvölgyi J et al. Mater. Sci. Forum 729 (2013) 31
Kerámia réteg kialakítása plazmaszórással Az elv Kerámia por
Plazma gáz Katód
Megolvadt részecskék
Az eredmény
Felületi bevonat
Anód
HA
Felületi elválás Ti
A
gyakorlat
50 µm
Al2O3 zárvány
Károly Z et al. Intnl. J. Appl. Ceram. Techn. 10 (2013) 72
Ti-6 Al-4V
Néhány saját fejlesztési eredmény
HT-RAM (Svéd Nano) A probléma
A megoldás
!
HT-RAM
HT-RAM (Svéd Nano) HT-RAM bevonatos terelőlemezek Jó hősokkállóság Számottevő MW elnyelés
MTA TTK AKI
GKN
MTA TTK AKI
Szélessávú elnyelés Több kerámia réteg Különböző elnyelési mechanizmusok
Szépvölgyi J. Hadiipari Kutatók és Fejlesztők Napja 2009
24
Biokerámia: nano-HAP
Intenzív őrlés foszforsavban (5h) Alapanyag: tojáshéj
Hőkezelés (900oC, 2 h) Lamellás szerkezet
Nano-HAP Ca5(OH)(PO4)3
Balázsi Cs et al. JECS 27 (2007) 1601
25
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) 348
26
Szénnel bevont mágneses nanorészecskék
CEMNPs
Szénréteg
MNP
Célzott hatóanyag bejuttatás és terápia Bystrzejevski M et al. Mater. Res. Bulletin 46 (2011) 2048
27
Hazai helyzetkép Kutatás
Gyártás
BAYATI
BAKONY Ipari Kerámia Kft.
ME
GAMMA Kerámia Kft.
MTA TTK (AKI, MFA)
HK CERAM Kft.
PE
IBIDEN Hungary Kft. IMERYS Tűzállóanyaggyártó Kft. INTERKERÁM Kft. IZOKERAM Kft. KEROX Kft., KEROX DENTAL Kft. MIKERON Kft. SZIKKTI Labor Kft. 28
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
[email protected]
30
