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:
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
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
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. Copyright © 2000 |