FLAG-ERA Multifunctional Ceramic/Graphene Thick Coatings for New Emerging Applications  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
127723
Type NN
Principal investigator Balázsi, Csaba
Title in Hungarian FLAG-ERA Többfunkciós kerámia-grafén vastag rétegek fejlesztése új feltörekvő alkalmazásokhoz
Title in English FLAG-ERA Multifunctional Ceramic/Graphene Thick Coatings for New Emerging Applications
Keywords in Hungarian többréteges kerámia, grafén, bórnitrid, elektromos, termikus, mechanikai tuljdonságok
Keywords in English multilayered ceramics, graphene, boron nitride, thick coatings, electrical, thermal, mechanical properties
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, Katalin
Fogarassy, Zsolt
Furkó, Mónika
Starting date 2018-06-01
Closing date 2021-11-30
Funding (in million HUF) 35.428
FTE (full time equivalent) 4.47
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 projektben nagyhatékonyságú portechnológiai módszerekkel, nagy intenzitású attritor malom felhasználásával állítunk elő grafén és kerámia-grafén porokat és a porkeverékekből szintereléssel új szerkezetű kerámia-grafén nanokompozitokat. A nagy intenzitású őrlés elősegíti a grafit interkalációját és expanzióját, így a grafit nanomechanikai és interkaláció alapú hámlasztása várhatóan egyszerű és hatékony folyamatot valósít meg, ami a grafénalapú anyagok tömegtermeléséhez vezethet. Az őrlési folyamat optimalizálása, az intenzív nedves vagy száraz őrlési kombinációk és a porkeverékek kémiai kezelése biztosítja a nanofázisok hatékony diszperzióját és agglomerációjának megszűntetését a technológiai lépések során. A kísérletek során innovatív szinterelési technológiákkal (plazmaszinterelés, meleg izosztatikus préselés) tervezhető elektromos és termikus vezetőképességgel rendelkező többrétegű kerámia-grafén nanokompozitokat hozunk létre, miközben fenntartjuk a nanokompozitok robusztus mechanikai tulajdonságait. Az új koncepció mentén kialakított szendvicsszerkezetű nanokompozitokat komplex összetétel, szerkezeti, mechanikai és funkcionális (elektromos és termikus) vizsgálatoknak vetjük alá. A projekt eredményei minden bizonnyal hozzájárulnak a kerámia-grafén nanokompozitok új generációjának megvalósításához.

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 projektben új, mechanikailag robusztus kerámia-grafén multifunkcionális nanokompozitokat állítunk elő, amelyek kiváló elektromos- és hő vezetőképességgel rendelkeznek. Az új többrétegű nanokompozitokat a hagyományos portechnológián (őrlés és szinterelés) alapuló optimalizált mikroszerkezetekkel fogjuk kifejleszteni, és várhatóan jobb multifunkcionális tulajdonságokkal fognak rendelkezni az eddig előállított funkcionális kerámiákhoz képest. A többrétegű kerámia-grafén nanokompozitok mechanikai és funkcionális tulajdonságainak optimalizálását a kísérleti paraméterek, az összetétel és szerkezet szisztematikus vizsgálata alapján végezzük el. A projekt alatt várhatóan még több funkcióval és javított tulajdonságokkal rendelkező kerámia-grafén nanokompozitok új generációját állítjuk elő.

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 CERANEA projekt az új multifunkcionális, elektromos és termikus vezetőképességgel rendelkező, nemoxid többrétegű kerámia-grafén nanokompozitok és vastag bevonatok fejlesztésével foglalkozik, elektromos érintkezők, kapcsolók alapanyagának előállítása céljából. A többrétegű kerámia-grafén nanokompozitokat a már rendelkezésre álló plazmaszintereléssel (SPS) és meleg izosztatikus préseléssel (HIP) állítjuk elő és ezzel párhuzamosan meghatározzuk a technológiai léptéknövelés paramétereit is. A projekt megvalósítása során fontos feladatnak számít az anyagok tulajdonságainak modellezése és a funkcionális tulajdonságok további optimalizálása és értékelése a lehetséges alkalmazások tekintetében. Így például integritás érzékelők, érintkezők, kapcsolók, a kerámia alacsony költségű gyártását biztosító elektromos szikra megmunkálás, elektromos vezető kerámia alkatrészek alapanyagául szolgálhat a kifejlesztett kerámia-grafén nanokompozit. A projekt eredményeit az energiaiparban, az autóiparban, az űrkutatásban, a vasúti és a közlekedési ágazatban, valamint az elektronikai iparban használhatják fel. A multifunkcionális, elektromos és termikus vezetőképességgel rendelkező, nemoxid többrétegű kerámia-grafén nanokompozitok és vastag bevonatok alkalmazása révén az elektromos kontaktusok élettartamának óriási javulása várható.

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 CERANEA projekt célja olyan többrétegű kerámia-grafén nanokompozitok előállítása, amelyek mint magas minőségű kerámia-grafén integrált szerkezetek, érintkezők, kapcsolók ellenállnak az ívkisülések által okozott káros hatásokkal szemben, míg az ipari léptéknövelés lehetővé teszik e bevonatok és kontaktusok gazdaságos előállítását. A projekt egy olyan új innovatív gyártástechnológiát vezet be, amely a grafén kerámiákba való integrálása révén nagymértékű potenciállal rendelkezik a nemesfém-erőforrások hatékonyságának, fenntarthatóságának és megtakarításának szempontjából. A multifunkcionális, elektromos és termikus vezetőképességgel rendelkező, többrétegű kerámia-grafén nanokompozitok és vastag bevonatok alkalmazása lehetővé teszi az elektromos kontaktusok élettartamának növelését.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In this project, high efficient attritor mill will be used to encourage the intercalation or expansion of graphite. The micromechanical and intercalation based exfoliation of graphite is expected to realize a simple and efficient process, which can lead us to the mass production of graphene-based materials. High intensive milling processes could ensure ceramic-graphene powder mixtures. Optimization of mixing process, wet or dry intensive steps and a careful handling of powder mixtures will be assured to eliminate the agglomeration of nanophases in this first powder technological steps.
The innovative technologies (SPS/HIP) will be further developed to synthesize multi-layered ceramic/graphene composites with enhanced electrical and thermal properties while maintaining robust mechanical properties. The new concept of using sandwich structure in the composites will be evaluated in terms of synthesis procedures, microstructures and functionalities. The investigation will definitely give a new insight to design new generation of ceramic/GRMs composites.

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.
Novel mechanically robust ceramic/graphene multifunctional composites with enhanced electrical and thermal conductivity are expected to be developed with optimized microstructures based on the conventional powder technology, and are expected to show improved multifunctional properties compared to the state of the art functional ceramics. The norms for optimizing the properties of the synthesized ceramic composites could be established based on the systematic studies on synthesis parameters, microstructure and functional properties. The in-situ characterization on the microstructure and properties will essentially contribute to the understanding of the relationship among synthesis parameters, microstructure and properties. A clear vision of how to design new generation of ceramic/graphene composites with even more functionalities and improved properties can be expected after completing this project.

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 CERANEA project deals with development of the new multifunctional conductive non-oxide ceramic/graphene thick coatings, multilayered ceramics for electrical contacts, switches and bring down the barrier using first the existing coating equipment for sample production by using available HIP/SPS technology and defining the parameters for upscaling in parallel. Modelling of materials behaviour to understand the material behaviour and identify possibilities for further optimisation and evaluation of functional properties with respect to possible applications e.g. integrity sensors, the ceramics for low cost manufacture electrical discharge machining, contacts, switches, electrical conductive ceramic parts will be achieved. The expected project results will be used in energy industry, automotive, aerospace, in railway- and transport industry as well as in all electronics related industries. By application of multifunctional conductive non-oxide ceramic/graphene multi-layered ceramics and thick coatings, a huge improvement in contact life is expected.

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 CERANEA project will facilitate a technology design that will allow both high quality graphene integrated structures and thick coatings on contacts, switches making these contacts resistant against damage by arcing, whereas the large industrial scale will permit the production of these coatings and contacts in an economically affordable manner. The project will introduce a new production technology into mass production, which shows high potential of resource-efficiency, sustainability and savings of precious metals substituted by graphene. The applied technologies in laboratory scale processes will be deeply analysed with regard to all aspects of the design for industrial production. Especially there will be a focus on the most promising lab scale solution, but redundant engineering will be necessary to adapt problems on a larger scale (TRL-5-6-7), keeping a design in mind that can be optimized further in view of larger scale production.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projektben új, mechanikailag robusztus kerámia-grafén multifunkcionális nanokompozitokat állítottunk elő, amelyek kiváló funkcionális tulajdonságokkal, így például kiváló termikus, elektromos és tribológiai rendelkeznek. Az új többrétegű nanokompozitokat hagyományos portechnológiai lépésekkel, őrléssel és nagynyomású szintereléssel állítottuk elő, optimalizált, tömör vagy porózus mikroszerkezettel rendelkeznek. A réteges szerkezettel rendelkező új kompozitok kiváló multifunkcionális tulajdonságokkal jellemezhetőek az eddig előállított funkcionális kerámiákhoz képest, pld. rétegenként változtathatóak a mechanikai, tribológiai, elektromos és termikus tulajdonságaik. A többrétegű kerámia-grafén nanokompozitok mechanikai és funkcionális tulajdonságainak optimalizálását a kísérleti paraméterek, az összetétel és szerkezet szisztematikus vizsgálata alapján végeztük el. A projekt megvalósítása során 10 open access publikáció és egy Elsevier könyvfejezet jelent meg az NKFIH projektazonosító NN127723 feltüntetésével. Az eredményeket 10 nemzetközi és 2 hazai konferencián ismertettük, meghívott vagy szóbeli előadások formájában.
Results in English
In this project novel mechanically robust ceramic/CNT and ceramic/graphene multifunctional composites with enhanced functional properties, thermal, electrical and tribological properties have been developed with optimized microstructures based on the conventional powder technology. The realized layered composites show improved multifunctional properties compared to the state of the art functional ceramics. The norms for optimizing the properties of the synthesized ceramic composites could have be established based on the systematic studies on synthesis parameters, microstructure and functional properties. The in-situ characterization of the microstructure and properties have been essentially contributed to the understanding of the relationship among synthesis parameters, microstructure and properties. A clear vision of how to design new generation layered ceramic/graphene composites with even more functionalities and improved properties is presented by completed project. In summary 10 publications (open access) and one book chapter (Elsevier) all showing the NKFIH contract number (NN 127723) have been published. The results have been presented in 10 international and 2 national conferences in invited or oral lectures.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=127723
Decision
Yes





 

List of publications

  
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: Novel silicon nitride-zirconia-graphene based sandwich composites, 45th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2021), USA, 2021, 2021
Balázsi K., Liao Z., Zschech E., Dusza J., Balázsi C.: Multifunctional Ceramic/Graphene Thick Coatings for New Emerging Applications, ICEAF2021, 6th International Conference of Engineering Against Failure. Hellenic Metallurgical Society (HMS). 23 June 2021 to 25 June 2021, 2021
Balázsi K., Furko M., Liao Z., Zschech E., Dusza J., Balázsi C.: Multifunctional Ceramic/Graphene Thick Coatings for New Emerging Applications, EUROMAT2021, Virtual, September 13-17th, 2021, 2021
Balázsi Katalin, Furkó Mónika, Balázsi Csaba: Ceramic Matrix Graphene and Carbon Nanotube Composites, In: Michael, Pomeroy (szerk.) Module in Materials Science and Materials Engineering, Elsevier (2021) pp. 243-259., 2021
Liao Zhongquan, Standke Yvonne, Gluch Jürgen, Balázsi Katalin, Pathak Onkar, Höhn Sören, Herrmann Mathias, Werner Stephan, Dusza Ján, Balázsi Csaba, Zschech Ehrenfried: Microstructure and Fracture Mechanism Investigation of Porous Silicon Nitride–Zirconia–Graphene Composite Using Multi-Scale and In-Situ Microscopy, NANOMATERIALS 11: (2) 285, 2021
Csaba Balázsi, Zhongquan Liao, Jan Dusza, Ehrenfried Zschech, Katalin Balázsi: Graphene Week, 20-24th September, Virtual Event, https://graphene-flagship.eu/events/graphene-week-2021/, 2021
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: Nanocarbon added Silicon Nitrides, Materials Science and Technology (MS&T), on-line, Columbus, Ohio, 17-20th October, 2021, 2021
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: Graphene and Carbon Nanotube Ceramic Matrix Composites, Vebleo - Science, Engineering and Technology Webinar, 2021
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: Microstructure Design and Mechanical Properties of Ceramic/Graphene Thick Coatings for New Emerging Applications, 14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14), Webinar, Vancouver, Canada, 2021
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: Mechanical and Tribological Properties of Layered Ceramic/Graphene Thick Coatings, 8th International Congress on Ceramics (ICC8), South Korea, online event, 2021
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: The role of ceramic research in emerging energy technologies, 44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2020), USA, 2020
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: Mechanical and Tribological Properties of Layered Ceramic/Graphene Thick Coatings, 8th International Congress on Ceramics (ICC8), South Korea, online event, 2021
Awais Qadir, Katalin Balazsi, Csaba Balazsi, Michal Ivor, Jan Dusza: Properties of MWCNTs added Si3N4composites processed fromoxidized silicon nitride powders, PROCESSING AND APPLICATION OF CERAMICS 14: (1) pp. 25-31., 2020
Balazsi Katalin, Furkó Mónika, Klimczyk Piotr, Balázsi Csaba: Influence of Graphene and Graphene Oxide on Properties of Spark Plasma Sintered Si3N4 Ceramic Matrix, CERAMICS 3: (1) pp. 40-50., 2020
Lamnini Soukaina, Balázsi Csaba, Balázsi Katalin: Wear mechanism of spark plasma sintered MWCNTs reinforced zirconia composites under dry sliding conditions, WEAR 430-431: pp. 280-289., 2019
Lamnini Soukaina, Fogarassy Zsolt, Horváth Zsolt Endre, Tóth Sára, Balázsi Katalin, Balázsi Csaba: The role of the attrition milling on the grain size and distribution of the carbon nanotubes in YSZ powders, BOLETIN DE LA SOCIEDAD ESPANOLA DE CERAMICA Y VIDRIO 58: pp. 126-133., 2019
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
BALÁZSI Csaba, FURKO Mónika, BALÁZSI Katalin: Korszerű nitrid kerámiák előállítása és vizsgálata, Vol 28: XXVIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT 2020 OGÉT–2021: pp. 93-96., 2021
Balázsi C., Balázsi K.: A sokoldalú grafén: Kerámiaipari trendek,, GYÁRTÁSTREND 13: (7-8) pp. 18-20., 2020
Balázsi K., Furkó M., Liao Z., Fogarassy Z., Medved D., Zschech E., Dusza J., Balázsi C.: Graphene added multilayer ceramic sandwich (GMCS) composites: Structure, preparation and properties, JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY 40: (14) pp. 4792-4798., 2020
Balázsi K., Furkó M., Liao Z., Gluch J., Medved D., Sedlák R., Dusza J., Zschech E., Balázsi C.: Porous sandwich ceramic of layered silicon nitride-zirconia composite with various multilayered graphene content, JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 832: 154984, 2020
Csaba Balázsi, Katalin Balázsi: The role of ceramic research in emerging energy technologies, 44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2020), USA, 2020
Lamnini Soukaina, Károly Zoltán, Bódis Eszter, Balázsi Katalin, Balázsi Csaba: Influence of structure on the hardness and the toughening mechanism of the sintered 8YSZ/MWCNTs composites, CERAMICS INTERNATIONAL 45: (4) pp. 5058-5065., 2019
Furko Monika, Havasi Viktor, Kónya Zoltán, Grünewald Alina, Detsch Rainer, Boccaccini Aldo R, Balázsi Csaba: Development and characterization of multi-element doped hydroxyapatite bioceramic coatings on metallic implants for orthopedic applications, BOLETIN DE LA SOCIEDAD ESPANOLA DE CERAMICA Y VIDRIO 57: (2) pp. 55-65., 2018
Katalin Balázsi, Mónika Furko, Zsolt Fogarassy, Csaba Balázsi: Examination of milled h-BN addition on sintered Si3N4/h-BN ceramic composites, PROCESSING AND APPLICATION OF CERAMICS 12: (4) pp. 357-365., 2018
Kovalčíková Alexandra, Húlan Michal, Sedlák Richard, Fides Martin, Balázsi Csaba, Mihaliková Mária, Dusza Ján: Thermal Shock Resistance of Si3N4/hBN Ceramic Composites, KEY ENGINEERING MATERIALS 784: pp. 73-78., 2018



Back »