Advanced Ceramics with Novel Structure  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
63609
Type K
Principal investigator Arató, Péter
Title in Hungarian Korszerű kerámiák újszerű szerkezettel
Title in English Advanced Ceramics with Novel Structure
Keywords in Hungarian Kompozitok, szilícium nitrid, ion implantáció, szén nanocső, villamos tulajdonságok
Keywords in English composites, silicon nitride, ion implantation, carbon nanotubes, electrical prroperties
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)60 %
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)40 %
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent MTA Research Institute for Technical Physics and Materials Science
Participants Balázsi, Csaba
Hegman, Norbert
Kövér, Zsuzsanna Ilona
Rónainé dr. Pfeifer, Judit
Starting date 2006-03-01
Closing date 2011-02-28
Funding (in million HUF) 13.500
FTE (full time equivalent) 6.39
state closed project
Summary in Hungarian
A korszerű kerámiák széleskörű alkalmazása továb bővíthető, ha nemcsak kíváló mechanikai, hanem egyéb jó tulajdonságokkal, mint pl. korrózióállóság, elektromos vezetőképesség, biokompatibiltás is rendelkeznek. Pályázatunkban nanotechnológiai módszerekkel kívánunk újszerű nano-szerkezeteket létrehozni egy „klasszikus” korszerű kerámiában, a szilíciumnitrid alapú kerámiában, illetve rokon kompozitokban. Két eljárást tervezünk. 1. A kerámia felületközeli szerkezetének mikro- és nano- dimenziókban történő módosítását (kémiai reakciókkal, ion implantációval, lézer besugárzással, illetve az utóbbiak kombinációjával), 2.mikro- és nano-szerkezeti elemek (kerámikus szálak, grafit, korom, szénszál és szén nanocső) beépítését az anyag tömbi részébe. Az újszerű váz- és rétegszerkezetek vizsgálatára és jellemzésére röntgendiffrakciót, infravörös abszorbciót, téremissziós pásztázó elektronmikroszkópot (FESEM) és fókuszált ion nyalábos mikromegmunkálást (FIB) kívánunk alkalmazni. Vizsgálni kívánjuk a szerkezetek mechanikai, termomechanikai, és elektromos és tulajdonságait. Fő célunk, hogy jobb anyagok előállítása érdekében jobban, pontosabban ismerjük a kerámikus mátrix és a különböző nano-adalékok (felületközeli és tömbi) közötti fizikai-kémiai kölcsönhatásokat. További célunk, hogy az új szerkezeteken mért fizikai jellemzőket a váz-szerkezetekre jelenleg is létező perkolációs modellekkel egybevessük és ezáltal közelebb kerüljünk a tulajdonságok „testreszabásához”.
Summary
The advanced ceramics might find a broader application if they have not only outstanding mechanical but also other e.g. corrosion resistance, electrical conductivity, and biocompatible properties too. Nanotechnology allows the incorporation of nano-structural elements into existent “classic” advanced ceramics resulting in “new” materials with changed/improved properties. In this application the synthesis, characterization, and understanding of novel structures in silicon nitride (and related materials), a “classic” family of advanced ceramic materials is planned. Two routes are suggested for the formation of novel structures in Si3N4: 1. Micro-, and nano-scale control of the surface structure of the ceramics (by chemical reaction, ion implantation, laser irradiation, and their combination). 2. Incorporation of micro-, or nano-scale particulates (ceramic whiskers, graphite, carbon black, carbon fiber, carbon nanotubes) into the bulk of the ceramics. For characterization of novel structures XRD, FTIR, field emission scanning electron microscope (FESEM) and focused ion beam (FIB) nanoshaping will be available. Mechanical, thermo-mechanical, thermal and electrical properties will be determined. The main goals are the following: 1. Deeper knowledge of the interaction of ceramic matrix with different nano additives. 2. Interpretation of measured data in the light of existent interpercolation models for tayloring ceramics performance.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatás távlati célja az volt, hogy olyan kerámikus alapú kompozitok kifejlesztésének magalapozásához járuljunk hozzá, amelyek tulajdonságai felülmúlják még a jelenleg ismert korszerű kerámiákat is, képesek megfelelni komplex igénybevételeknek. A vizsgált kompozitok valamelyik karbon módosulatot tartalmazták szilícium nitrid mátrixban, gáznyomású szintererelést, izosztatikus melegsajtolást és plazma szinterelést alkalmaztunk. Elektronmikroszkópos és röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálatokat végeztünk, mértük a mechanikai sajátságokat, a fajlagos villamos vezetőképességet, egyes termikus jellemzőket. Az eredmények főbb vonásait magyarázza az a feltevés, hogy karbon nanocső, vagy korom, vagy grafit adalék és a kerámia részecskék közötti vonzás gyenge, ebből következik, hogy a rugalmassági modulust a sűrűség meghatározza, a villamos vezetőképesség pedig attól függ, hogy a kerámia-kerámia kötések kiépülése közben hol van üres hely a nanocsövek részére. Viszont fellép vonzás a fóliásított grafit nanolemezei és a kerámia részecskék között, ennek hatására a kopás csökken, a vezetőképesség koncentrációfüggése gyengül
Results in English
The aim of the project was to contribute to the basic knowledge necessary to the development of ceramic composites withstanding to complex hits. The examined composites contained silicon nitride as matrix and one of the modifications of carbon as additive. The finishing step of processing was gas pressure sintering (GPS), hot isostatic pressing (HIP) or spark plasma sintering (SPS). The structure was studied by electron microscopy and X-ray diffraction, mechanical properties, specific electrical conductivity and some thermal characteristics were determined. The main features of the behavior of studied composites can be explained by supposing that the interaction between the ceramic particles and carbon nanotubes, or carbon black, or graphite is weak. In this case the modulus of elasticity is depends only on the density, and the electrical conductivity is controlled by the shape of the space between the ceramic particles. On the other hand, attractive force occurred between the ceramic particles and exfoliated graphite sheets, consequently the wear of this composites is weaker, its conductivity is smaller than that of materials containing the other carbonaceous modifications.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=63609
Decision
Yes





 

List of publications

  
Balázsi Cs; Czigány Zs;Wéber F; Kónya Z; Vértesy Z; Bíró LP; Kiricsi I; Arató P: Novel silicon nitride - carbon nanotube composites, Powder Metallurgy Progress 6: 80-87, 2006
Balázsi Cs; Wéber F; Fényi B; Hegman N; Czigány Zs; Kónya Z; Kiricsi I; Vértesy Z; Bíró LP; Arató P: Development of CNT/Si3N4 with Improved Mechanical and Electrical Propertie, 1st International Congress on Ceramics, Toronto, 25-29 June Ed. Stephen Freiman,, 2006
Horváth E; Zsíros Gy; Tóth AL; Arató P; Sajó I; Pfeifer J: Microstructural characterization of the oxide scale on nitride bonded SiC-ceramics, Ceramics International 34: 151-155, 2008
Pfeifer J; Sáfrán Gy; Wéber F; Zsigmond V; Koszor O; Arató P; Balázsi Cs: Tribology study of silicon nitride-based nanocomposites with carbon additions, Materials Science Forum 659: 235-238, 2010
Tapaszto O; Balazsi Cs: The effect of milling time on the sintering kinetics of Si3N4 based nanocomposites 2010 Igen 1,686, Ceramics International 36: 2247-2251, 2010
Kun P; Wéber F; Illés L, Horváth ZsE; Arató P; Balazsi Cs: Grafit nanorétegek előállítása és vizsgálata – Úton az új típusú szén erősítésű nanokompozitok felé, Anyagvizsgálók Lapja 20: 70-76, 2010
Tapasztó O; Kun P; Wéber F; Gergely G; Balázsi K; Pfeifer J; Arató P; Kidari A; Hampshire S; Balázsi Cs: Silicon nitride based nanocomposites produced by two different sintering methods Ceramics International :123-128, Ceramics International, elbírálás alatt, 2011
Tapasztó O; Tapasztó L; Markó M; Kern F; Gadow R; Balázsi Cs ,: Comparative study of graphene and carbon nanotubes as filler materials for ceramic matrix composites, Nanotechnology, elbírálás alatt, 2011
Balázsi Cs; Wéber F; Arató P; Fényi B; Hegman N; Kónya Z; Kiricsi I; Vértesy Z; Bíró LP: Development of CNT-Silicon Nitrides with Improved Mechanical and Electrical Properties, Mater. Sci. Forum, 537-538, 1723-1728, 2007
Balázsi Cs; Czigány Zs; Wéber F; Kövér Zs; Kónya Z; Vértesy Z; Bíró; LP Kiricsi I;Arató P: Carbon Nanotubes as Ceramic Matrix Reinforcements, Mater. Sci. Forum, 537-538, 97-104, 2007
Maros MB; Kaulics N; Arato P;: Characterization of Dynamic Failure Process of Si3N4 Ceramics, Part I., pp. 421-433 in Fractography of Glasses and Ceramics V, American Ceramic Society, Editors J. R. Varner, G. D. Quinn. M. Wightman,, 2007
Arató P; Szentpáli B; Pfeifer J; Fényi B; Hegman N; Wéber F; Balázsi Cs: Electrical and Mechanical Properties of Carbon Nanotubes/Silicon Nitride Composites, pp 1540-1544 in 10th International Conference and Exhibition of the European Ceramic Society, Göller Verlag, Baden-Baden Ed. by J.G. Heinrich, C. Aniziris,, 2007
Horváth E; Arató P; Balázsi Cs; Pfeifer; J; Wéber F: Scanning Electron Microscope Characterization of Silicon Nitride Ceramics and Composite, 10th International Conference and Exhibition of the European Ceramic Society, 2007
Koszor O., Wéber F., Arató P., L.P. Bíró, Kiricsi I., Balázsi Cs: Optimization of Preparation Processes for Slicon Nitride Composites with Carbon Nanotubes, 10th International Conference and Exhibition of the European Ceramic Society, 2007
Balázsi Cs; Czigány Zs; Wéber F; Kónya Z; Vértesy Z; Biró LP; Kiricsi I; Arató P: Silicon Nitride - Carbon Nanotubes Composites, Mater. Sci. Forum, 554 123-128, 2007
Maros BM; KaulicsNH; Arató P; Balázsi Cs: Mechanical and Fractographic Analyses of Monolithic Si3N4 Ceramics during Impact Testing, Key Engineering Materials 409 338-341, 2008
Pfeifer J; Horváth E; Vértesy Z; Arató P; Balázsi Cs: “Chemical Methods for Scanning Electron Microscope Characterization of Non-Oxide Ceramics and Composites, Key Engineering Materials 413 382-385, 2008
Fényi B; Hegman N; Wéber F; Arató P; Balázsi Cs: DC Conductivity of Silicon Nitride Based Carbon-Ceramic Composites, Processing and Application of Ceramics 1 [1–2] 57–61, 2007
Fényi B; Hegman N; Wéber F; Arató P; Balázsi Cs: Si3N4 alapú kerámia kompozitok elektromos vizsgálata, BKL Kohászat 139 [6] 41-46, 2006
Fényi B; Platzer A; Hegman N; Wéber F; Arató P; Balázsi Cs: Infrared Measurements on Carbon Added Si3N4 Ceramics, pp. 11-17 in MicroCAD’ 2007, Miskolc, 2007
Koszor O; Lindemann A; Davin F; Balázsi Cs: Observation of Thermophysical and Tribological Properties of CNT Reinforced Si3N4, Key Engineering Materials 409 354-357, 2008
Fényi B; Hegman N; Szemmelveisz K; Balázsi Cs: Impedance Changes and Carbon Stability during the Heat Treatment of Si3N4 Carbon Composites, Key Engineering Materials 409 365-368, 2008
Koszor O; Balázsi Cs: The Milling Time Effect on Sintering Kinetics of Silicon Nitride Based Composites, Key Engineering Materials 409 369-372, 2008
Fényi B; Balázsi Cs; Wéber F; Hegman N; Arató P:: Electrical Examination of Silicon Nitride – Carbon Composites,, Powder Metallurgy Progress, Journal of Science and Technology of Particle Materials, 589, 203-208, 2008
Koszor O; Wéber F; Vértesy Z; Horváth Zs E; Kónya Z; Biró LP; Kiricsi I; Arató P; Balázsi Cs:: Preparation of Si3N4 Composites with Single Wall Carbon Nanotube and Exfoliated Graphite, Materials Science Forum 589 409-414, 2008
Arató P; Balázsi Cs:: Carbon Nanotubes in Silicon Nitride,, pp. 117-136 in Handbook of Nanoceramics and Their Based Nanodevices, ed. by T.Y. Tseng and H. S. Nalwa," American Scientific Publishers, Stevenson Ranch Ca USA, 2009
Balázsi Cs; Wéber F; Fényi B; Hegman N; Czigány Zs; Kónya Z; Kiricsi I; Vértesy Z; Bíró LP; Arató P: Development of CNT/Si3N4 with Improved Mechanical and Electrical Properties, 1st International Congress on Ceramics, Toronto, Ed. Stephen Freiman, Published by Wiley, 2006
Koszor O; Wéber F; Arató P; Balázsi Cs: Characterization of Silicon Nitride Based Composites with Different Type of Carbon Additions, 2. International Congress on Ceramics, Verona,, 2008
Arató P; Pfeifer J; Wéber F; Tóth AL; Szentpáli B; Balázsi Cs: Pore Structure of Silicon Nitride Based Nancomposites, Euromat 2009 Glasgow, 2009
Fényi B; Koszor O; Balázsi Cs: Ceramic-Based Nanocomposites for Functional Applications, pp. 323-327 in NANO: Brief Reports Kand Reviews. World Scientific Publishing Co. 3 [5], 2008
Koszor O; Tapasztó L; Markó M; Balázsi Cs: Characterizing the Global Dispersion of Carbon Nanotubes in Ceramic Matrix Nanocomposites, Applied Phys Lett 93, 201910, 2008
Balázsi Cs; Sedlacková K; Czigány Zs: Structural Characterization of Si3N4 – Carbon Nanotube Interfaces by Transmission Electron Microscopy, Composites Sciences ad Technology” 68 1596-1599, 2008
Babcsánné Kiss J: Ion-implantációval módosított Si3N4 kerámia tribotribológiai tulajdonságai, Gép LX 41-48, 2009
Arató P; Pfeifer J; Sáfrán Gy; Wéber F; Zsigmond V; Koszor O; Balázsi Cs: Tribology Study of Silicon Nitride-based Nanocomposites with Carbon Additions, VII. Országos Anyagtudományi Konferencia, Balatonkenese, 2009



Back »