Modern kerámiák és kompozitok

előadásunkban a szerkezeti anyagként használatos elemek előállításával kapcsolatos alapelveket foglaljuk össze.

Ismertetjük a funkcionális (biokerámiák, ferroelektrikus, ferromágneses kerámiák), nanoszerkezetű (nanokompozitok, nanobevonatok, szénnanocsövek) és szerkezeti (építőanyag ipar, járműgyártás) kerámiákat, anyagokat. Bemutatja a hagyományos olvasztásos előállítás mellett az új, kis energiaigényű technikákat; a különböző leválasztási módszereket (CVD, PVD, PLD stb) tömb, szál, por, vékony réteg kerámiák készítésére, és külön hangsúlyt fektetünk a nedves kolloidkémiai, szol-gél eljárásokra. Felvázoljuk a kerámiák szerkezeti módozatait; amorf, egy- és polikristályos. Összefoglaljuk a kerámiák és egyéb nanokompozitok speciális tulajdonságaihoz köthető széles körű felhasználhatóságukat; pl. alkatrészek, tűzállóanyagok, fotovoltaikus eszközök, szenzorok, szűrők, katalizátorok, piezokerámiák, biokompatibilis protézisek stb. Az előadásban jelentős hangsúlyt kap a fontosabb vizsgálati módszerek tárgyalása is.

 Előadás (Dr. Sinkó Katalin és Dr. Madarász János)

Kerámiák csoportosítása:

Alkalmazásuk szerint: funkcionális és szerkezeti kerámiák

Kötésük szerint: ionos, kovalens

Szerkezetük szerint: kristályos, amorf

Összetételük szerint: oxidok, nitridek, karbidok, szilicidek, boridok, titanátok stb.

Kerámiagyártás

Olvasztásos technológia

Portechnológia

Kerámia porok előállítása

Formázás - sajtolás

Szinterelés (folyadék- és szilárd fázisú szinterelés)

Korszerű gyártás technológiák:

Szol-gél módszer

Termikus bontás

Topokémiai módszer

Interkaláció – ioncsere

Együttes lecsapás – kristályosítás

Plazma eljárások

Kerámia porok korszerű gyártási módszerei:

Szilárd fázisú: termikus bontás, szilárd fázisú kémiai reakciók (topokémia)

Folyadékfázisú: szol-gél módszer, együttes lecsapás – kristályosítás, hidrotermikus módszer, interkaláció – ioncsere, oldószer elvonás (spray drying)

Gázfázisú eljárások: plazma eljárások

Kerámia rétegek korszerű gyártási módszerei:

Szol-gél módszer

Gázfázisú leválasztás (CV = vapour deposition)

(fizikai PVD, kémia CVD, pulzáló lézer PLVD, plazma PCVD)

Hidrotermális leválasztás

Oldószer elvonás (spray drying)

Merítés diszperziós oldatba

Elektrokémia leválasztás

Kerámiák szerkezete és jellemzése

Fizikai paraméterek

Fázisösszetételek – kerámiák fázis átalakulásai (diffúziómentes, diffúzióval járó)

Jellegzetes kristályos kerámia struktúrák – szilárd oldatok

Kémiai összetételek (Alumínium-, cirkon-, szilikát, oxid, nitrid, karbid stb kerámiák)

A kerámiák és nanoszerkezetű kompozitok műszeres vizsgálati lehetőségei

Kerámiák tulajdonságai

Szerkezeti kerámiák főbb mechanikai és fizikai tulajdonságai

Összefoglalja a kerámiák speciális tulajdonságaihoz köthető széles körű felhasználhatóságukat; pl. alkatrészek, tűzállóanyagok, szenzorok, szűrők, katalizátorok, piezokerámiák, biokompatibilis protézisek stb

Példák korszerű kerámiákra

Aerogélek, biokerámiák, ferroelektromos, ferromágneses kerámiák, nanokompozitok stb.

Laboratóriumi gyakorlat (Dr. Hórvölgyi Zoltán)

A gyakorlatok témakörei:

1. Bio-kompatibilis hidroxiapatit-polymer nanokompozitok

A hidroxiapatit az egyik leggyakrabban alkalmazott kerámia típus biokompatibilis implantátumok alapanyagaként. A hidroxiapatit szemcséket polimerben diszpergálva nagy elektromos térerősség hatására vékony szálak készíthetőek (electrospinning). A laboratóriumi gyakorlat során hidroxiapatit/cellulóz-acetát rendszerből néhány száz nanométeres szálakat hozunk létre, amelyek morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáljuk.

2. Pórusos alumínium-oxid előállítása

Az anódosan oxidált pórusos alumínium-oxid nagy sűrűségű, rendezett nanoszerkezetek létrehozásának egyik közkedvelt kiindulópontja. A laboratóriumban lehetőség van ilyen szerkezetek létrehozására, ill. a marás során létrejövő morfológia elektronmikroszkópiás tanulmányozására.

3. ZnO-nanoszálak

A laboratóriumban egykristályos ZnO-nanoszálak állíthatóak elő nedveskémiai módszerrel. Az előállított szálak szerkezete pásztázó elektronmikroszkóppal tanulmányozható. A ZnO-szálak mint érzékeny molekulaszenzorok és mint tapintásérzékelő alkotóeleme kerülhetnek felhasználásra.

4. Pórusos ZnO-filmek előállítása szol-gél technikával üveg hordozón

Alkalmas prekurzor szolokból mártásos (dip-coating) technikával állítunk elő vékony, transzparens bevonatokat üveg hordozón. A rétegeket 550 ^oC kondicionáljuk. Az eljárás ismétlésével többrétegű bevonatokat is előállítunk.

5. Pórusos ZnO-filmek optikai vizsgálata pásztázó szögű reflekometriai módszerrel

A korábbiakban preparált bevonatokon síkban (p) polarizált lézerfény reflexióját határozzuk meg különböző beesési szögek esetén. Vékonyrétegekre kidolgozott elméleti modelleknek a kísérleti görbéhez történő illesztésével meghatározzuk a bevonatok törésmutatóját, amelyből porozitást számítunk.

6. Nanorészecskés Langmuir-Blodgett (LB) filmek előállítása és optikai vizsgálata UV-Vis spektroszkópiai módszerrel és/vagy ellipszometriával

Transzparens hordozókon szilika nanorészecskék monorétegű LB-filmjeit állítjuk elő, majd meghatározzuk a transzmittancia spektrumokat. Vékonyrétegekre kidolgozott elméleti modelleknek a kísérleti görbéhez történő illesztésével meghatározzuk a bevonatok törésmutatóját és vastagságát. (Ellipszometriai méréssel ugyancsak a rétegek törésmutatóját és vastagságát tanulmányozzuk.)