M-ERA.NET Graphene-ceramic composites for tribological application in aqueous environments  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
114422
Type NN
Principal investigator Balázsi, Katalin
Title in Hungarian M-ERA.NET Grafén-kerámia kompozitok vizes közegű tribológiai alkalmazásokra
Title in English M-ERA.NET Graphene-ceramic composites for tribological application in aqueous environments
Keywords in Hungarian kerámia, nanokompozit, tribológia, csapágy, tömítés
Keywords in English ceramics, nanocomposites, tribology, slide bearings, face seals
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants Balázsi, Csaba
Fogarassy, Zsolt
Furkó, Mónika
Menyhárd, Miklós
Oláh, Nikolett
Tapasztó, Orsolya Éva
Starting date 2015-01-01
Closing date 2018-06-30
Funding (in million HUF) 53.174
FTE (full time equivalent) 6.18
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kiváló kopásálló és megbízható szerkezeti és funkcionális tulajdonságokkal rendelkező kerámiai anyagok iránt erősen növekvő kereslet figyelhető meg, mivel széles körben használhatóak az ipari alkalmazások területén. Külön figyelmet fordítunk a nehéz körülmények között használt komponensekre, elsősorban a vizes közegbe alkalmazott kerámiákra. Ezen komponensek megbízhatóságán és hatékonyságán javítani kell. Kiváló megoldásnak mutatkozik a kiváló tribológiai (alacsony súrlódás, nagy kopás és korrózió ellenállás) és a mechanikai tulajdonságokkal (törési szívósság, szilárdság) bíró kerámia alapú kompozit. A kerámia mátrix erősítése grafén adalékkal jelentősen megnöveli a kompozit kopásállóságát és törési szívósságát. Ezen kívül, a szigetelő kerámiához képest, elektromos vezetőképesség érhető el, ami hasznos lehet különféle funkcionális alkalmazásoknál.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás fő célja funkcionális grafén és kerámia-grafén nanokompozitok előállítása vizes közegű tibológiai alkalmazásokra, mint pl. csapágyak és tömítések. A feljavított mechanikai és tribológiai tulajdonságok lehetővé teszik a robusztus és megbízható komponensek tervezését, amelyek növelik a hatékonyságot és az ipari létesítmények biztonságát (kisebb energiafogyasztás, kevesebb az állásidő, nincs szennyezés) a megújuló és a hagyományos energiatermelést. Ezen túlmenően, az új kifejlesztett kompozit anyag használatával kopás és korrózió elleni védelem valósítható meg. A projekt eredménye egy elektromosan vezető kerámia-grafén nanokompozit kifejlesztése, amely esetében közel 50%-kal csökkent a súrlódási együttható és a kopás a most használt kerámia anyagokhoz képest. A projekt során a grafén por szintézisét is optimalizáljuk, oly módon, hogy a grafén porok ideális méret és felületi jellemzőkkel rendelkezzenek. Fontos tényező a kompozit anyag homogenitása, ezért a grafén, kerámia, és a grafén-kerámia kompozit előállításának fejlesztése és
optimalizálása egyik célkitűzése a projektnek. Ezzel elkerüljük a klaszter kialakulását és biztosítjuk a kerámia mátrixban való homogén eloszlást. Nem utolsósorban, a kompozit újszerű előállítási módszerén kívánunk javítani, ami biztosítja az anyag kiváló tulajdonságait ami csökkenti az előállítási költségeket is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A projekt egyik legkutatottabb kérdése közé tartozik a grafén mint különböző kompozit mátrixok erősítő fázisa. Amint azt több elméleti számítás igazolja, a grafén kivételes szerkezeti, mechanikai és
elektromos tulajdonságokkal jellemezhető. Ezért várható, hogy a grafén adalékolás radikálisan javítja
a különböző mátrixú,, mint például a kerámia (Si3N4, Al2O3 vagy SiC) kompozitok tulajdonságait.
Létfontosságú a grafén jó diszperziója a kerámia mátrixban. A kutatás tárgyát képezi továbbá a grafén kerámia mátrix közti határfelület, ennek jellemzése.
A tervezett projekt magában foglalja a teljes innovációs láncot:
• funkcionalizált grafén, kerámia alappor és kompozitok szintézise és molekuláris dinamikai szimulációk célzott fejlesztésekre
• kompozit anyagok előállítási módjának fejlesztése és előállítási paraméterek optimalizálása
• kompozitok szerkezeti, mechanikai és kémiai tulajdonságok vizsgálata
• tribológiai tulajdonságok kísérleti és numerikus vizsgálata

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A tudományos és gazdasági hatások elsősorban az újszerű grafén-kerámia kompozitok kiemelkedő tulajdonságainak köszönhető funkcionális alkalmazásaitól várhatóak. A projekt sikeres eredménye lehetőséget kínál a kifejlett grafén-kerámia (Si3N4, AL2O3, SiC) anyagok és alkatrészek tribológiai alkalmazására még vizes közegben is. A kifejlesztett kerámia alapú kompozit várható kiváló tulajdonságainak köszönhetően javítják az európai ipar versenyképességét. A projekt másodlagos célja, hogy szoros együttműködés jöjjön létre a különböző országokban található kutatóintézetek és ipari vállalatok között, akiknek érdeke a grafén-kerámia kompozit fejlesztése és potenciális alkalmazása.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
There is a strongly growing demand for highly wear resistant and reliable ceramic materials that may be widely used in industrial applications and energy production. Special attention is paid to components that are used under severe conditions and only lubricated by the surrounding media that are mainly aqueous. Reliability and efficiency of these components need to be improved by using high performance ceramics with superior tribological (low friction, high wear and corrosion resistance) and mechanical properties (fracture toughness, strength).
Recent basic research of the project partners on the development of graphene containing ceramic composites has shown that it is possible to realize nanocomposites with remarkably increased wear resistance and fracture toughness. In addition, electrical conductivity values can be reached that will be useful to gain further functionalities.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main objective of the proposed project is to develop tribological systems on the basis of functionalised graphene and ceramic-graphene nanocomposites and their qualification for technical applications e.g. for slide bearings and face seals in aqueous media. Exceptionally improved mechanical and tribological properties will enable the design of robust and reliable components that enhance the efficiency and safety of industrial plants (lower energy consumption, less down-times, no pollution) in both renewable and conventional energy production. In addition, novel protection devices against wear and corrosion can be realised by utilising the electrical conductivity of the ceramic-graphene nanocomposites that may reduce friction and wear by 50%.
During the project the graphene powder synthesis will be optimized to achieve powders with
ideal dimension and surface characteristics. Moreover, the mixing route of graphene powder
with the ceramic powder will be optimized to avoid cluster formation and ensure a
homogenous distribution. At the end, the processing route will be improved and the best way
to obtain material with excellent properties and optimal cost will be selected. Finally, after
the integration of the ceramic components into technical systems the potentials and benefits
of the novel ceramic nanocomposites will be shown

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The question of using graphene as reinforcing phase in composites with different
matrices is in the focus of materials science and research. As resulted from several
theoretical calculations, graphene is characterized by exceptional structural, mechanical and
electrical properties. Therefore, it is expected that their addition will radically improve the
quality of various matrices , such as ceramic (Si3N4, Al2O3 or SiC). For the full use of the
benefits provided by graphene it is crucial to achieve a good dispersion of graphene in the
ceramic matrix. Retaining the graphene un-attacked in the composites and to optimize the
interfacial bonding between graphene and matrix are further requirements.
From this point,the proposed project covers the whole innovation chain:
• powder synthesis and molecular dynamic simulations for targeted development of
functionalised graphenes,
• materials development and their processing routes
• microstructural, mechanical and chemical evaluation
• experimental and numerical assessment of tribological performance
• qualification of the novel nanocomposites for tribological applications

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The scientific and economic impact is based primarily on the expected improvement of the
capabilities of the novel ceramic based nanocomposites.
The proposed work offers the potential to create advanced graphene-ceramic (Si3N4, AL2O3, SiC) materials and components that have superior properties and new functionalities, which help to improve the competitiveness of the European industry that supplies and uses them. For this purpose, close
collaboration of research institutes in different countries and industrial companies will be established.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A GRACE projekt célja vizes közegben alkalmazható Si3N4/grafén és SiC/grafén kompozit kifejlesztése volt. Az anyag előállításához nagyhatékonyságú attritoros őrlést és 3 különféle szinterelése módszert használtunk; gyors szinterelés (SPS), meleg izosztatikus préselés (HIP) és meleg préselés (HP). Kimutattuk, hogy az SPS és HIP esetében alacsony 2-3 t% grafén hozzáadásaval érjük el az optimális szerkezeti és tribológiai tulajdonságokat, míg HP esetében a 10 t% grafén adalék is szinte porózus mentesen szinterelhető. Ezzel optimalizáltuk a szinterelési technológiákat. Bizonyítottuk, hogy vizes közegű alkalmazásokra alkalmazható kerámia kompozitot fejlesztettünk, melyben a grafén adalék aktív szerepet játszik a triborétek kialakulásában és csökkenti a kifeljesztett kompozit súrlódási együtthatóját.
Results in English
The main aim of GRACE projekt was the development of Si3N4/graphene and SiC/graphene komposites for tribological application in aqueous environments. All composites were prepared by high efficient attritor milling and 3 different sintering methods; spark plasma sintering (SPS), hot isostatic pressing (HIP) and hot pressing (HP). It was showed that in the case of SPS and HIP, the optimal structure and tribological properties were observed at lower graphene content 2-3 wt%. On the other hand, HP is suitable for sintering higher graphene addition until 10 wt% without porosities. During the project, the sintering parameters for 3 different methods were optimalized. It was demonstrated that ceramic composites for aqueous media applications have been developed and the graphene additive played an active role in the formation of tribo film and reduced the friction coefficient of the composite.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=114422
Decision
Yes





 

List of publications

  
Katalin Balazsi, Orsolya Tapaszto, Zsolt Fogarassy, Jan Dusza, Viktor Puchy, Csaba Balazsi: Si3N4 / graphene based composites: structure and properties, APMAS2015, April 16-19, Oludeniz, Turkey, 2015
Katalin Balazsi, Jan Dusza, Andreas Kailer, Csaba Balazsi: Structural examination of silicon nitride composites with different graphene reinforcement phase, 14th International Conference on European Ceramic Society, June 21-25, Toledo, Spain,, 2015
Tapasztó, O., Horváth, Z.E., Dusza, J., Puchy, V., Balázsi, C., Tapasztó, L., Balázsi, K.,: Orientation of graphene nanoplatelets in silicon nitride nanocomposites, MCM2015, Eger, 08.20-25, 2015
O. Tapasztó, L.Tapasztó, C. Balázsi, V. Puchy, J. Dusza, Z. E. Horváth, K. Balázsi: Néhány rétegű grafén lemezek orientációja szilíciumnitrid nanokompozitokban, OATK10, okt.11-13, 2015
Tapaszto O, Tapaszto L, Lemmel H, Puchy V, DuszaJ, Balázsi C, Balázsi K: High orientation degree of graphene nanoplatelets in silicon nitride composites prepared by spark plasma sintering, CERAMICS INTERNATIONAL 42:(1) pp. 1002-1006., 2016
G. Battistig , S. Gurbán, G. Sáfrán, A. Sulyok, A. Németh, P. Panjan, Z. Zolnai, M.Menyhárd: Wafer-scale SiC rich nano-coating layer by Ar+ and Xe+ ion mixing, Surface & Coatings Technology 302, pp. 320–326, 2016
C. Balázsi, Zs. Fogarassy, O. Tapasztó, W. Zhang, V. Puchy, J. Dusza, C. Schroderer, A. Kailer, K. Balazsi: Structure and properties of Si3N4/graphene nanocomposites, Fractography of Advanced Ceramics, Smolenice, 2016. Oct. 9-12,, 2016
Zs. Fogarassy, O.Tapasztó, C. Balázsi, A.Kailer, C. Schroder, D. Galusek, J. Dusza, and K. Balázsi: Si3N4/graphene nanocomposites for tribological application in aqueous environments prepared by attritor milling and hot pressing, Szlovénia-Portorož (JVC-EVC), 2016.06.06-10, 2016
C. Balázsi, K. Balázsi: Development of Silicon nitride based composite materials, 40th International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites, January 24-29. 2016, Daytona Beach, FL, meghívott előadás, 2016
Csaba Balázsi, Zsolt Fogarassy, Orsolya Tapasztó, Andreas Kailer, Christian Schroder, Milan Parchoviansky, Dusan Galusek, Ján Dusza and Katalin Balázsi: Si3N4/ graphene nanocomposites for tribological application in aqueous environments prepared by attritor milling and hot pressing, Workshop on Graphene/Ceramic Composites Cuenca (Spain), September 28-30,, 2016
Zs. Fogarassy, O.Tapasztó, C. Balázsi, A.Kailer, C. Schroder, D. Galusek, J. Dusza, and K. Balázs: Si3N4/graphene nanocomposites for tribological application in aqueous environments prepared by attritor milling and hot pressing, Journal of European Ceramic Society, under review, 2016
Orsolya Tapasztó, Victor Puchy, Péter Kun, Gergely Dobrik, Zsolt Fogarassy, Jan Dusza, Katalin Balázsi, Csaba Balázsi, Levente Tapasztó: Highly wear-resistant and low-friction Si3N4composites by addition of graphene nanoplatelets approaching the 2D limit, Carbon, bírálat alatt, 2016
Maria Maros B, Alexandra K Németh, Zoltán Károly, Eszter Bódis, Zsolt Maros, Orsolya Tapasztó, Katalin Balázsi: Tribological characterisation of silicon nitride/multilayer graphene nanocomposites produced by HIP and SPS technology, TRIBOLOGY INTERNATIONAL 93:(Part A) pp. 269-281, 2016
Balázsi Csaba, Fogarassy Zsolt, Tapasztó Orsolya, Kailer Andreas, Schröder Christian, Parchoviansky Milan, Galusek Dusan, Dusza Ján, Balázsi Katalin: Si3N4/graphene nanocomposites for tribological application in aqueous environments prepared by attritor milling and hot pressing, J EUR CERAM SOC 37: (12) 3797-3804, 2017
Tapasztó O, Balko J, Puchy V, Kun P, Dobrik G, Fogarassy Z, Horváth ZE, Dusza J, Balázsi K, Balázsi C, Tapasztó L: Highly wear-resistant and low-friction Si3N4 composites by addition of graphene nanoplatelets approaching the 2D limit, SCI REP 7: (1) , 2017
Balázsi Csaba, Fogarassy Zsolt, Tapasztó Orsolya, Kailer Andreas, Schröder Christian, Parchoviansky Milan, Galusek Dusan, Dusza Ján, Balázsi Katalin: Si3N4/graphene nanocomposites for tribological application in aqueous environments prepared by attritor milling and hot pressing, J EUR CERAM SOC 37: (12) 3797-3804, 2017
Racz A S, Kerner Z, Nemeth A, Panjan P, Peter L, Sulyok A, Vertesy G, Zolnai Z, Menyhard M: Corrosion Resistance of Nanosized Silicon Carbide-Rich Composite Coatings Produced by Noble Gas Ion Mixing, ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 9:(51) pp. 44892-44899, 2017
Tapasztó O, Balko J, Puchy V, Kun P, Dobrik G, Fogarassy Z, Horváth ZE, Dusza J, Balázsi K, Balázsi C, Tapasztó L: Highly wear-resistant and low-friction Si3N4 composites by addition of graphene nanoplatelets approaching the 2D limit, SCI REP 7: (1), 2017
S. Gurbán, P Petrik, M. Serényi, M. Menyhárd, E. Baradács, B. Parditka, C. Cserháti, G.A Langer, Z. Erdélyi: Electron irradiation induced amorphous SiO2 formation at metal oxide/Si interface at room temperature; electron beam writing on interfaces, Scientific Reports 8, Article number: 2124, 2018
Rácz A.S, Menyhárd M: Design of Corrosion Resistive SiC Nanolayers, ACS Applied Materials and Interfaces, 10(26), pp. 22851-22856, 2018
Qadir Awais, Fogarassy Zsolt, Horváth Zsolt E, Balazsi Katalin, Balazsi Csaba: Effect of the oxidization of Si3N4 powder on the microstructural and mechanical properties of hot isostatic pressed silicon nitride, CERAMICS INTERNATIONAL 44:(12) pp. 14601-14609., 2018




 

Events of the project

  
2016-09-22 15:14:58
Résztvevők változása



Back »