Korszerű műszaki kerámiák – előállítás, tulajdonságok, alkalmazások
2019.10.30.
A kerámiák fogalmához hagyományosan a ridegség és törékenység társul. A korszerű műszaki kerámiák éppen e vonatkozásban hoztak változást: szívósak, azaz jól tűrik a hirtelen hőhatásokat és a váltakozó mechanikai igénybevételeket. A szívósság az összetétel és a mikroszerkezet módosításával, az anyagszerkezeti hibák csökkentésével, továbbá újszerű, beépített erősítő mechanizmusokkal biztosítható. A különleges tulajdonságú, korszerű műszaki kerámiák számos területen előnyösen alkalmazhatók, akár szerkezeti, akár funkcionális anyagként.
szepvolgyi-1
Megjelenési formájukat tekintve a korszerű kerámiák egységes (monolit) anyagok, társított (kompozit) anyagok vagy felületi bevonatok (rétegek) lehetnek, melyeket kémiai módszerekkel szintetizált, meghatározott összetételű és tulajdonságú alapanyagokból (kerámiaporokból) állítanak elő. Csak ilyen alapanyagokkal, jól kézben tartott gyártási folyamatokban biztosíthatók azok a tulajdonságok (nagy szilárdság, kopás-, hő- és korrózióállóság, biokompatibilitás), amelyek előfeltételei ezen anyagcsalád széleskörű (mechanikai, hőtechnikai, elektromos és elektronikai, közlekedési és szállítási, vegyipari, környezeti és orvosbiológai) alkalmazásainak. Az alábbiakban a fontosabb felhasználási lehetőségeket villantjuk fel, néhány példán keresztül.
Az egyidejű, mechanikai és termikus igénybevételnek kitett szerkezeti kerámiák közé sorolhatók az űrsiklók hasi részén és szárnyain kialakított kerámiabevonatok. A termikus hatások szempontjából legkritikusabb orr-részen és a szárnyak élein a hővédő pajzs szén-szén kompozitanyagból készül, míg a hasi részen és a szárnyak alsó felületein szilícium-dioxid alapú, különleges szerkezetű kerámiatéglákból kialakított védőréteg található.
A korszerű műszaki kerámiák közül az ún. elektrokerámiák egyedülálló elektromos, optikai és mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. Emiatt széles körben használják őket az automatizálásban, a telekommunikációban, a számítástechnikában, valamint az energiatárolásban és -átalakításban.
Gyors ionvezető elektrokerámiát alkalmaznak a magas hőmérsékleten működő szilárdoxidos tüzelőanyagcellákban (angol rövidítésük: SOFC). Ezek működéséhez valamilyen éghető gázt (legegyszerűbb esetben hidrogént) egy ionvezető kerámiamembrán közbeiktatásával, ellenőrzött körülmények között reagáltatnak levegővel. Ennek során jó hatásfokkal és környezetbarát módon, közvetlenül alakítanak át kémiai energiát elektromos árammá, miközben reakciótermékként víz képződik.
A korszerű kerámiák orvosbiológiai felhasználásakor elsősorban biokompatibilitásukat (különböző szövetekkel való összeférhetőségüket), baktérium- és gombaölő sajátságaikat, valamint a csontszövetek regenerálódására gyakorolt kedvező hatásukat használják ki. A fokozott mechanikai igénybevételnek kitett csípőízületek pótlására például nagysűrűségű és tisztaságú, különleges szerkezetű alumínium-oxidból készített kerámia protéziseket használnak. Ugyanebből az anyagból térdprotézisek, csontcsavarok, továbbá csont- és szájsebészeti pótlások is gyárthatók.
Végezetül a korszerű kerámiák egy széles körben elterjedt környezetvédelmi alkalmazását, a gépkocsikban elhelyezett katalitikus átalakítókat (utóégetőket) említjük. Feladatuk a belsőégésű motorokat elhagyó gázelegy egyes káros alkotóinak (szén-monoxid, illékony szerves vegyületek, nitrogén-oxidok) átalakítása környezetre kevésbé káros vegyületekké. A katalitikus konverter “lelke” az a keresztmetszetében méhsejtszerkezetű, hosszanti csatornákat tartalmazó kerámiatest, amelynél a katalizátort a csatornák belső felületére viszik fel. Ez a kialakítás maximális érintkezési felületet biztosít fémkatalizátor és a forró gázáram között, növelve a gázkezelés hatásfokát.
A fentiekben felsorolt példák az alkalmazási lehetőségek csak egy szűk szegmensét érzékeltetik. A korszerű műszaki kerámiákkal a mérnöki gyakorlat olyan újszerű anyagokhoz jutott, amelyek különleges körülmények között is megőrzik kiváló tulajdonságaikat. Olyan anyagokhoz, amelyek jobbá tehetik életünket.
Dr. Szépvölgyi János
professor emeritus
MTA Természettudományi Kutatóközpont
