Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

TAPASZTÓ Orsolya #07F - SZÉN ERŐSÍTÉSŰ KERÁMIA KOMPOZITOK és grafit nanoréteg előállítása
Témavezető: dr. TAPASZTÓ Orsolya, Tel.:392-1315, Épület:26., Szoba:21/b., E-mail:o.tapaszto@mfa.kfki.hu,tapaszto.orsolya@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)

A szén minden ismert élet alapja, ezért számunkra az egyik legfontosabb kémiai elem. Több allotróp módosulata (gyémánt és grafit) is régóta ismert. A grafitot (1. és 2. ábrák) már az ókorban is használták kerámiák díszítésére, de belőle jelentős mennyiséget csak a XVI. században fedeztek fel egy kis angliai falu közelében. A helyiek előszeretettel használták juhok megjelölésére, de később persze számtalan más felhasználása is született. A grafit, ellentétben a gyémánttal nagyon puha, átlátszatlan, jó elektromos vezető és nem utolsó sorban olcsó. Bár a méhsejtszerű grafitszerkezetben a szomszédos szén atomok még annál is közelebb állnak mint a gyémántban, az egyes rétegek (melyeket grafénnak nevezünk) viszonylag távoliak, és csak gyenge (másodlagos) kötések tartják őket össze. Ezért a grafén rétegek könnyen elválnak egymástól, ettől van a grafit puhasága és ezért tudunk vele írni grafitceruzaként.

grafit
1. ábra. A grafit szerkezete.
grafit
2. ábra. Grafitpor elektronmikroszkópos képe.
A 80-as években a mikroszkópia ugrásszerű fejlődésével egyidőben további szénmódosulatokat is felfedeztek, így a focilabda szerkezetű fulleréneket (1986: kémiai Nobel-díj), és később a szén nanocsöveket, amelyek gyakorlatilag felcsavart grafénlapok. A nanocsövekhez a kutatók nagy reményeket fűztek, de széleskörű elterjedésüket egyelőre technológiai nehézségek hátráltatják. A szén nanocsövek például nagyon sokfélék lehetnek, és nehéz a többféle tulajdonságúakat elkülöníteni egymástól.

Sokáig hihetetlennek tűnt, hogy egyáltalán létezhet stabil, egyetlen atomi réteg vastagságú anyag, mígnem 2004-ben egy meglepően egyszerű módon sikerült előállítani a grafént. Számtalan egyedülálló tulajdonságának köszönhetően az utóbbi évek egyik kiemelt kutatási területévé vált a grafénnal való foglalatosság. Többek között jó elektromos vezető, hővezető, átlátszó és egyébként a világ valaha tapasztalt legerősebb anyaga. Igen gyorsan rengeteg féle módszert dolgoztak ki az előállítására, de még nem sikerült megalkotni egy viszonylag olcsó, nagy tömegű előállítást is lehetővé tevő eljárást. A világon a legtöbb kutatás az elektronikai eszközökben való alkalmazására irányul (grafén tranzisztor, kijelző, stb.). A mi csoportunk jelenleg olyan grafit vékonyrétegek, illetve grafén-szerű anyagok létrehozásán fáradozik, amelyeket elsősorban kompozit anyagok erősítő összetevőjeként lehetne felhasználni.

De mik is ezek a kompozitok? Több különböző anyagból épülnek fel: a cél az egyes összetevők előnyös tulajdonságainak "ötvözése", és lehetőleg a káros tulajdonságaik kiküszöbölése. Az egyik összetevő folytonos (ezt hívjuk mátrixnak :-) ), ez körülveszi a benne eloszló ún. diszperz fázisokat (amelyeket erősítő anyagoknak is hívhatunk). Az anyag attól lesz nanokompozit, hogy legalább az egyik fázis 1, 2, vagy egyenesen 3 dimenzióban is kisebb 100 nanométernél. A legelterjedtebbek a fém, polimer és kerámia mátrixú kompozitok. Manapság egyre szélesebb körben használják a kompozit anyagokat. Csupán néhány példát kiragadva: a járműiparban (pl. repülőgépek burkolata), vagy különféle alkatrészek de akár sporteszközök is készülnek belőlük. Intézetünkben élvonalbeli kutatások folynak az egyik fontos kerámia, a szilícium-nitrid (Si3N4) területén. Csoportunk az elsők között foglalkozott szén-nanocsövekkel erősített szilícium-nitrid kompozitokkal! A szilícium-nitridnek kiváló mechanikai és hőtechnikai tulajdonságai vannak. Kiemelkedő a hajlítási szilárdsága (akár 700 MPa) és a keménysége (akár 16 GPa). Ezek a kiváló tulajdonságok magas hőmérsékleten is megmaradnak (körülbelül 1200 °C-ig), valamint az anyag jól bírja az erős hőingadozásokat is. Mivel csak nagy nyomáson lehet (megfelelő mennyiségben) előállítani, viszonylag drága.

A célunk tehát új típusú, high-tech kerámia alapú nanokompozitok létrehozása. Konkrétan szén nanocsövekkel (3. ábra), vagy grafén-szerű anyagokkal erősített szilícium-nitrid nanokompozitok (4. ábra) kifejlesztése. Mivel a tulajdonságok erősen függenek a szerkezettől, ezért nagy hasznunkra vannak az olyan anyagvizsgálati módszerek, mint a röntgendiffrakciós fázisanalízis és az elektronmikroszkópos vizsgálat, mert általuk beleshetünk az anyagunkba. Fontos kérdés, hogy hogyan függenek az anyag mechanikai tulajdonságai a különböző erősítő anyagok használatától, valamint az előállítási lépések optimalizálásától. Ezért az elkészített kerámiáknak megmérjük a rugalmasságát, szilárdságát, keménységét és szívósságát.
CNT-erősített szilícium-nitrid nanokompozit
3. ábra. Szén nanocsövekkel (CNT) erősített szilícium-nitrid nanokompozit pásztázó elektronmikroszkópos felvétele.
MLG-erősített szilícium-nitrid nanokompozit
4. ábra. Multirétegű grafénnal (MLG) erősített szilícium-nitrid nanokompozit pásztázó elektronmikroszkópos felvétele.





Az MFA Nyári Iskola 1 hete alatt várhatóan a következőkkel ismerkedhetünk meg:
  • A kerámia nanokompozitok előállításának lépéseivel.
  • Az előállított anyag szerkezetének röntgendiffrakcióval (X-Ray) és pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) történő vizsgálatával.
  • Ezután megérhetjük az elkészült kerámia nanokompozitunk mechanikai tulajdonságait: rugalmasságát, szilárdságát, keménységét és szívósságát.



  • ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető: TAPASZTÓ Orsolya, Tel.:392-1315, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:21/b, E-mail:
    o.tapaszto@mfa.kfki.hu,tapaszto.orsolya@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Sun, 03 May 2015 20:00:02 GMT, Számláló: