Korszerű műszaki kerámiák

Szépvölgyi János

MTA Kémiai Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Kutatólaboratórium

1025 Budapest, Pusztaszeri út 59-67.

Bevezetés

A természetes alapanyagokból előállított “hagyományos” kerámiákat a történelem kezdeteitől használja az emberiség égetett agyageszközök, kőedények, különféle porcelántárgyak vagy építőanyagok formájában. Ma már a hagyományos kerámiai anyagok közé sorolhatók a cementek, az üvegek és egyes, magas hőmérsékleten használatos tűzálló anyagok is. A kerámiák korábban is széleskörű felhasználása az utóbbi néhány évtizedben jelentősen kibővült Megjelentek a “korszerű” kerámiák, és velük a műszaki alkalmazások kerültek előtérbe.

A kerámiák fogalmához általában a törékenység és a tulajdonság nem megfelelő reprodukálhatósága társul. A korszerű műszaki kerámiák éppen e két vonatkozásban hoztak újat, elsősorban az anyagtudományi és anyagtechnológiai ismeretek bővülésének eredményeként. A kerámiai anyagok összetétele, mikroszerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolatrendszer újabb és újabb részleteinek tisztázása lehetővé teszi a felhasználási igényeket megfelelően kielégítő, előre tervezett tulajdonságú szerkezeti anyagok előállítását.

A korszerű műszaki kerámiák szívósak: jól tűrik a hirtelen hőhatásokat és a váltakozó mechanikai igénybevételeket is. A szívósság az összetétel és a mikroszerkezet módosításával, a feszültségeket koncentráló hibahelyek (mikrorepedések, zárványok, szemcsehatárok, inhomogenitások, mikropórusok) számának csökkentésével, továbbá újszerű erősítő mechanizmusok kialakításával, a belső feszültségeket kioltó szerkezeti elemek bevitelével érhető el. Célirányosan létrehozott energiaelnyelő mechanizmusok működnek például a szál- és tűkristály-erősítésű kerámiákban, a devitrifikált (az üvegszerű, illetve amorf állapotból az egyensúlyi viszonyoknak megfelelő kristályos állapot irányába átrendeződött) anyagokban vagy a módosulat-változással szívósított rendszerekben.

A korszerű műszaki kerámiák általában mesterséges, meghatározott összetételű és morfológiájú porokból, szigorú technológiai feltételek mellett készülnek. Kémiai jellegüket tekintve főként fémek és átmeneti fémek oxidjai, nitridjei, boridjai, karbidjai, ezek elegyei, elegyfázisai lehetnek. Fémes, ionos és kovalens kötések egyaránt megtalálhatók ezekben az anyagokban, így különleges tulajdonságok, tulajdonságkombinációk megvalósítására alkalmasak. Általában kemények, kopásállóak, nagy a mechanikai szilárdságuk. Mindehhez nagy termikus és kémiai stabilitás, továbbá kis sűrűség társul. Legtöbbjük elektromos- és hőszigetelő sajátságú, ugyanakkor néhány képviselőjük a nagy elektromos ellenállás mellett nagyon jó hővezetőképességű. Egyes típusaik szupravezetők, mások félvezető sajátságúak. Még továbbiak ferromágneses vagy piezoelektromos tulajdonságokat mutatnak. Bizonyos korszerű műszaki kerámiák jó dielektrikumok, mások biokompatibilisek lehetnek.

A szerves prekurzorokból történő kerámia alapanyag előállítás különösen ígéretesnek tűnik az alábbi vonatkozásokban:

    •  
    • többalkotós, összetett kerámiai anyagok előállítása,
    •  
    • korrózió- és kopásálló kerámiai védőrétegek kialakítása különböző felületeken és
    •  
    • porózus kerámia-mátrixok (szűrők, membránok) kialakítása.

Az alkalmazási területekről

A korszerű műszaki kerámiák a fejlett technológia sok területén töltenek be fontos szerepet (1. táblázat). A mérnöki gyakorlat rajtuk keresztül olyan újszerű szerkezeti anyagokhoz jut, amelyek az eddigiektől eltérő, extrém körülmények között, feszített üzemmódban is megőrzik kiváló mechanikai, termikus, kémiai és egyéb tulajdonságaikat.

1. táblázat A korszerű műszaki kerámiák fontosabb alkalmazási lehetőségei

Tulajdonság A kerámia típusa Alkalmazási terület
Mechanikai Al2O3, BN, TiC, TiN

Al2O3, ZnO2

Al2O3, SiC, Si3N4

Vágószerszámok

Kopásálló csapágyak, szárvezetők

Turbinalapátok, robbanómotor alkatrészek

Termikus Al2O3, ZrO2 Infravörös sugárzók
Kémiai Fe2O3, SnO2, ZnO

MgCr2O4, TiO2

Kordierit

Gázérzékelők

Nedvességérzékelők

Katalizátorhordozók

Biológiai Al2O3, hidroxiapatit Implantátumok
Elektromos Al2O3, BeO, MgO

BaTiO3, SrTiO3

ZrO2

BaTiO3, ZnO-Bi2O3, SiC

CdS

b -Al2O3, ZnO2

ZrO2

Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O

Szigetelő IC hordozók, tokok

Kerámiakondenzátorok

Piezoelektronos vibrátorok, szűrők, oszcillátorok

Termisztorok, varisztorok, érzékelők, fűtőelemek

Napelem

Szilárd elektrolitok

Oxigénszenzorok, tüzelőanyag cellák

Magas Tc szupravezetők

Mágneses Lágy ferritek

Kemény ferritek

Hőérzékelők

Ferritmágnesek

Optikai Áttetsző Al2O3

Áttetsző MgO

Áttetsző Y2O3-ThO2

Szilikátüvegek

Nagynyomású Na-gőz lámpák

Fénycsövek, speciális lámpák

Lézerablakok

Fényvezetők, optoelektronikai eszközök

Nukleáris UO2, UO2-ThO2

B4C, SiC

Al2O3, B4C, SiC

Fűtőelemek

Beágyazó anyagok

Sugárvédelmi anyagok

A hagyományos, elsősorban fémből készített alkatrészeket kerámia-alkatrészekkel helyettesítve, számos esetben jelentős energia- és költségmegtakarítás érhető el (2. táblázat).

2. táblázat Kerámia alkatrészek alkalmazásának előnyei

Alkalmazási terület A kerámia típusa Előny
Rézdrót-húzás ZrO2 A termelékenység több mint kétszeresére nő
Szürke nyersvas megmunkálása Si3N4, SIALON A termelékenység több mint kétszeresére nő
Rúdkovácsoló kemencék rekuperátora SiC A fajlagos energiafelhasználás 40%-kal csökken
Kisteljesítményű gázturbinák autókban Si3N4, SiC, Li-Al-szilikátok A fajlagos üzemanyag fogyasztás mintegy 30%-kal csökken
Hűtés nélküli, kis teljesítményű Diesel motorok Al2O3, Al2TiO5, SiC, Si3N4, ZrO2 A fajlagos üzemanyag fogyasztás 10-15%-kal csökken
Nagy teljesítményű, adiabatikus Diesel motorok Al2O3, Al2TiO5, SiC, Si3N4, ZrO2 A fajlagos üzemanyag fogyasztás mintegy 20%-kal csökken

Külön kiemeljük, hogy – kémiai és fázisviszonyaikból eredően – egyes korszerű kerámiák biokompatibilisek. Az élő szervezetbe beépítve nem mérgezőek, és nem karcinogének, nem ingerlik a szöveteket, sőt egyes szövetekkel képesek összenőni. Hajlító- és nyomószilárdságuk pedig jobb, mint a természetes csontszöveté és kopásállóak is.

A kutatás-fejlesztés néhány kérdéséről

A korszerű műszaki kerámiák a legtöbb felhasználásnál az egyéb korszerű szerkezeti anyagok versenytársai. A kerámiák egyik előnye, hogy anyagköltségük lényegesen alacsonyabb a fémes szerkezeti anyagokhoz képest.

A versenyhelyzetből következően a korszerű műszaki kerámiák kutatásakor és fejlesztésekor az egyik alapvető feladat a kerámiai anyagok és az ezeket tartalmazó társított rendszerek viszonylagos előnyeinek és hátrányainak minél alaposabb és szélesebb körű feltárása, különös tekintettel a megbízható működés feltételeire.

A kerámiák tulajdonságait végső soron kémiai összetételük és mikroszerkezetük határozza meg. Jóllehet, az eddigi kutatások és fejlesztések során számos eredmény született e vonatkozásban, a különleges kerámiai anyagok kémiai-, kötés- és fázisviszonyaiból elméletileg levezethető kémiai, mechanikai, termikus, tribológiai tulajdonságokat még közel sem sikerült elérni a technológiai gyakorlatban. Az elvi lehetőségek teljesebb kihasználásához az összetétel, a mikroszerkezet, a tulajdonságok és az előállítás módja közötti kapcsolatrendszer minél több részletét kell kísérletileg felderíteni, és egészében értelmezni. Ez azért is fontos, mert a technológiai gyakorlat néhány esetben (például a kerámia szupravezetőknél) megelőzte az elméletet, továbbá a korszerű műszaki kerámiák gyártástechnológiái jelenleg még számos empirikus elemet tartalmaznak.

Napjaink mikroelektronikai technikájában már mód van arra, hogy a kívánt anyagszerkezetet atomi rétegenként, előre megtervezetten alakítsák ki. Ehhez természetesen nagy szellemi háttér, atomi szintű kémiai, felületkémiai és anyagszerkezeti ismeretek, továbbá különleges technikai-technológiai háttér szükségesek. Célszerűnek látszik a korszerű kerámiai anyagok kutatásában és fejlesztésében hasonló irányban haladni, mivel így nagyobb esély van a kerámiák különleges előnyeinek kiaknázására.

Hazai helyzetkép

Magyarországon az oxidkerámiák kutatása, fejlesztése és gyártása is jelentős múltra tekinthet vissza. A mára megszűnt SZIKKTI-ben sikeresek voltak a szupravezető, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-bázisú kerámiák előállítására irányuló kutatások. Az ugyanott kifejlesztett, stabilizált ZrO2-bázisú kerámiákból erős koptató hatásnak kitett szelepek egyes elemeit állították elő. Elismerésre méltó eredmények születtek különböző biokerámiák fejlesztésében is, így például hidroxi-apatit – fluor-apatit - aluminium-oxid bázison a csonttal részben összenövő, bioaktív-bioinert kompozit protézisek prototípusait készítették el.

A Veszprémi Egyetem Szilikát- és Anyagmérnöki Tanszékén olyan hidroxi-apatit-bázisú, porózus granulátumokat fejlesztettek ki, amelyeket az emberi szervezet csonthiányos részeibe lehet beültetni, ahol természetes csontképződést váltanak ki, és a csontozatot előkészítik az implantológiai beavatkozásokhoz. Kidolgozták a hidroxi-apatit-bázisú porok plazmatermikus előállításának technológiáját. Az így kapott porokat implantátumok felületkezelésére lehet felhasználni. A magas átmeneti hőmérsékletű szupravezető kerámiákkal kapcsolatban kezdetben az YBACO tömbi anyagok egyszer-égetéses technológiáját dolgozták ki, míg napjainkban a nagy lebegtető erővel rendelkező EuBACO, olvadékból kristályosított szupravezető anyagok előállítását vizsgálják. A WC-Co nanoporok hevítésekor lejátszódó fázisátalakulásokat az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetével közösen tanulmányozzák. Kutatásaik kiterjednek kristályosított üvegtermékek előállítására is; eközben a magképződés és kristályosodás részfolyamatait vizsgálják különböző oxid- és halogenid-üvegek esetében.

A nem-oxid bázisú kerámiákkal kapcsolatos kutatások jelenleg két akadémiai kutatóhelyen, az MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Kutatólaboratóriumában, továbbá az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetében folynak. Az AKKL-ben a nitrid- és oxid-bázisú kerámiai alapanyagok, mindenekelőtt nanoméretű porok termikus plazmákban megvalósított szintézisét, a porok kémiai és felületkémiai jellemzőit, az amorf kerámiaporok kristályosítását és hőkezelését tanulmányozzák. Az MFA-ban pedig kristályos porokból készülő Si3N4 és SIALON kerámiák szinterelését, a hőkezelési körülmények, a kerámia mikroszerkezete és makroszkopikus tulajdonságai közötti kapcsolatok egyes részleteit kutatják. Az intézet izzólámpák szálainak húzására alkalmas SIALON-bázisú kerámiaszerszámokat is készít a GE-Tungsram részére.

Anyagmérnököket jelenleg a Veszprémi Egyetemen és a Miskolci Egyetemen képeznek, de működik anyagtudományi szakirány a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen is. A képzéssel kapcsolatos fő probléma, hogy a korszerű anyagelőállítási és anyagvizsgálati technikák az egyetemeken korlátozottan állnak rendelkezésre. A külföldi egyetemekkel kialakított kapcsolatok, a mind intenzívebbé váló diák- és kutatócsere némileg javít ezen a helyzeten.

A szakterületen folyó kutatások bemutatásának legfontosabb fórumai az MTA Szilikátkémiai Munkabizottságának félévenkénti rendszerességgel megtartott ülései.

VISSZA

Copyright © 2000
Magyar Anyagtudományi Egyesület