|
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.
 |
1. ábra. A grafit szerkezete.
|
|
 |
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.
 |
3. ábra. Szén nanocsövekkel (CNT) erősített szilícium-nitrid nanokompozit pásztázó elektronmikroszkópos felvétele.
|
|
 |
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.
|
|
|
