Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont)
projekt kezdete
2016-10-01
projekt vége
2020-04-30
aktuális összeg (MFt)
15.090
FTE (kutatóév egyenérték)
2.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A műszaki kerámiák kivalló kopásállósága az egyik alapvető előnyük, amely nagyban hozzájárul ipari alkalmazásaik egyre szélesebb körű elterjedéséhez. Számos alkalmazás esetében (pl. csapágyak, mechanikus tengelytömítések) a súrlódási együttható csökkentése is alapvető előnyökkel járna. Ennek egyik módja, olyan kerámia mátrixú kompozit anyagok fejlesztése, amelyek képesek „belső” kenőanyagként csökkenteni a súrlódást és tovább növelni a kopásállóságot. Erre a feladatra az egyik legígéretesebb anyagcsalád, a réteges anyagok (grafit, MoS2, stb.) családja, amelyek kiváló száraz kenőanyagként ismertek. Az eddigi kutatás-fejlesztés, azonban még nem hozta meg a várt áttörést. Elsősorban többrétegű grafit pikkelyeket (Graphene Nano-Platelets) alkalmazva adalékanyagként, nem sikerült jelentős mértékben javítani a kerámiák súrlódási tulajdonságain. Ennek az oka, hogy nem sikerült elérni, hogy a néhányrétegű grafén fázis egy folyamatos tirbo-filmet hozzon létre a kerámia felületén. Ennek elérésére, kidolgoztunk egy olyan új preparációs eljárást, amely a grafit pikkelyek vastagságát jelentősen csökkenti, az eddig alkalmazott több tíz (10 - 50) rétegről, az 1-10 réteg tartományba. Ezekkel az ultra-vékony grafit pikkelyekkel adalékolt kompozitokon végzett előzetes méréseink, azt mutatják, hogy a súrlódási együttható majdnem a felére csökkenthető, míg a kopásállóság akár egy nagyságrenddel is javítható.
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 alapvető kérdése, hogy milyen mértékben lehetséges az általunk kidolgozott új eljárással előállított ultra-vékony néhány rétegű grafén (és más réteges anyagok) pikkelyeivel adalékolt Si3N4 kerámiák súrlódási és kopásállósági tulajdonságainak javítása?
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! Az egyébként is kiváló kopásállósággal rendelkező Si3N4 kerámiák kopásállóságának jelentős további növelése komoly előnyökkel jár számos ipari alkalmazás számára, különösen az alkatrészek élettartamára vonatkozóan. Ugyanakkor a súrlódási együttható jelentős csökkentése is alapvető fontosságú a mozgó és forgóalkatrészekben történő alkalmazások esetében, a gazdaságosabb üzemeltetés érdekében. Mindez úgy, hogy a kompozitok egyéb mechanikai tulajdonságai (szívósság, keménység, hajlító-szilárdság) is tovább javulnak. A célkitűzések elérése, egyrészt a már ismert alkalmazások esetében javítaná a kompozit alkalmazásának hatékonyságát, illetve új, eddig nem hozzáférhető alkalmazások számra nyithatná meg az utat.
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 műszaki területeken alkalmazott, kiváló tulajdonságokkal rendelkező kerámiák egyre több alkalmazás számára szolgáltatnak vonzó alternatívát a sokkal elterjedtebb fémes anyagoknál. Bizonyos alkalmazási területeken olyan mértékű javulás érhető el a funkcionalitásban, amely hosszútávon sokszorosan megtérül mind költség, mind pedig az elérhető hatékonyság tekintetében. A műszaki kerámiák is rendelkeznek azonban számos, az anyagcsaládra jellemző korláttal. Napjainkban egy ígéretes és korszerű eljárás, amely ezekre a problémákra megoldást jelenthet, a kerámia mátrix nanoszerkezetekkel történő adalékolása. Az általunk fejleszteni kívánt eljárás lehetővé teszi, hogy a szilícium-nitrid kerámiákból előállított alkatrészek kopásállósága akár több mint tízszeresére növekedjen, ezáltal a belőlük készülő mozgóalkatrészek élettartama hasonlóan a sokszorosára növekedhet. Hasonló módon az általunk előállított kompozitok súrlódási együtthatójának jelentős csökkentése, pedig a mozgó- és forgó-alkatrészek esetében a veszteségeket csökkenti nagymértékben, hozzájárulva ezáltal a sokkal gazdaságosabb üzemeltetéshez.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The excellent wear resistance of the ceramic materials is one of the fundamental advantages, exploited in a wide range of industrial applications. In several applications (ex. bearings, face seals), reducing the friction coefficient would also bring huge benefits. One route to improve these properties is to develop ceramic matrix composites, by using additives that can act as ? internal ? lubricantsto reduce the friction and increase the wear resistance of the samples. The most suitable filler materials for these tasks are the layered materials (graphite, MoS2, etc), which are known as excellent dry lubricants. However, up to now, they haven?t brought the expected breakthroughin the field. By using graphene nano-platelets no significant improvement in the tribological characteristics of the composites has been achieved. The main reason could be the lack of formation of a continuous lubricant-film by the graphene nanoplatelets, at the surface of the ceramics. In order to achieve this, we have developed a novel preparation method, which efficiently increases the exfoliation degree (reduces he thickness) of graphene nanoplatelets, from the range of 10-100 layers to of 1-10 layers. Our preliminary measurements performed on these composites prepared with the ultra-thin graphene flakes indicate that the friction coefficient couldbe reduced almost to half, while t he wear resistance can be improved by an order magnitude.
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 fundamental question of the proposed research is to clarify to what extent can we improve the tribological and wear resistance characteristics of Si3N4 composites by increasing the exfoliation degree of graphene and other layered filler materials?
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. A substantial improvement of the wear resistance of silicon nitride ceramics can bring huge advantages in the field of industrial applications, especially regarding the life-time of the components. Significantly decreasing the friction coefficient can be essential for reducing the losses in moving and rotating parts. It is also particularly important, that these benefits come without compromising the toughness, hardness or flexural strength of the material. The main outcome is expected to be the substantial improvement of the tribological properties of silicon nitride composites, which can improve various existing applications and also open the way towards novel 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. Due to their excellent mechanical properties, the application of ceramic materials is expanding fast, as they provide more and more attractive alternatives to the much widely used metals. The benefits provided by their outstanding advantages in functionality can compensate for the relatively expensive preparation processes. However, ceramic materials also encounter some limitations due to their brittle structure. To overcome this problem, a promising approach is their reinforcement by various nanostructures. The preparation method proposed by us employs ultra-thin graphene nanoplatelets that enable the fabrication of the silicon-nitride composites with substantially improved wear resistance and significantly reduced friction. The components built from such composites are characterized by a much longer life-time and the cost of their operation can also be significantly reduced as losses due to friction can be reduced.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A jelen kutatási projekt alapötlete, hogy a Si3N4 kerámiák tribológiai és mechanikai tulajdonságainak javítására, a hagyományosan használt grafit nanoszemcsék helyett, amelyek jellemző vastagsága 50 réteg feletti, sokkal vékonyabb (< 10 réteg) néhány rétegű grafén nanoszemcséket (FL-GNP) alkalmazzunk. Ezeket a néhány rétegű grafén szemcséket egy egyszerű módszerrel, a grafit melamin jelenlétében történő őrlésével állítottuk elő. Azt találtuk, hogy a 5 % néhány rétegű grafén nanoszemcséket tartalmazó Si3N4 kompozitok kopásállósága a hússzorosára nőtt (1.2 10−5mm3 /N m-ről 5.9 10−7mm3 /N m -re), az adalékmentes Si3N4 kerámiákhoz viszonyítva. Ugyanezen kompozitok súrlódási együtthatója közel a felére csökkent (0.8-ról, 0.43-ra). A 3% FL-GNP / Si3N4 kompozitok szívósságát (10.5± 0.2 MPa m1/2) 100%-kal sikerült megnövelni az adalékmentes Si3N4-hez viszonyítva (5.1± 0.3 MPa m1/2), amely a hagyományos grafit nanoszemcsékkel adalékolt kompozitokhoz (6.6 ± 0.4 MPa m1/2) képest is egy 60% -os növekedést jelent. A grafénon túl, hexagonális bór nitriddel (h-BN) adalékolt kompozitokat is készítettünk és vizsgáltunk. Azt találtuk, hogy h-BN adalékolásával a kompozitok súrlódási együtthatója csökkenthető (~18%), azonban a kopásállóságuk és szívósságuk nem növelhető jelentősen az adalékmentes kerámiákhoz képest. Összességében, a grafén sokkal hatékonyabb adalékanyagnak bizonyult a Si3N4 kompozitok tribológiai és mechanikai tulajdonságainak javításában.
kutatási eredmények (angolul)
The central idea of our research project was to exploit thinner graphene nanoplatelets to improve the tribological and mechanical properties of Si3N4 ceramic composites. Instead of conventionally used graphene nanoplatelets (GNPs) with typical thickness of over 50 layers, we employed few-layer (< 10 layers) GNPs, obtained by a simple mechano-chemical method of melamine enhanced exfoliation. We were able to significantly improve the tribological and mechanical properties of the nanocomposites. The wear rate of Si3N4 / 5 wt% few-layer GNP composites has been reduced by up to twenty times (from 1.2 10−5mm3 /N m to 5.9 10−7mm3 /N m), compared to monolithic Si3N4. For the same composites, the steady state friction coefficient has been decreased to nearly its half (from 0.8 to 0.43). A 100% increase in the fracture toughness of Si3N4 / 3wt% FL-GNP composites (10.5± 0.2 MPa m1/2) was achieved, compared to the monolithic Si3N4 samples (5.1± 0.3 MPa m1/2), and 60% increase compared to conventional Si3N4 / 3wt% GNP composites (6.6 ± 0.4 MPa m1/2). We have also prepared Si3N4 composites with hexagonal boron nitride (h-BN) addition, using both conventional and melamine enhanced h-BN nanoplatelets. We found that the friction coefficient can be decreased (up to 18%), while the wear resistance and fracture toughness were only preserved. Consequently, graphene nanoplatelets were proven far superior to h-BN for improving the tribological and mechanical properties of Si3N4 ceramics.
Tapasztó O; Puchy V; Horváth ZE; Bódis E; Károly Z; Balázsi K; Dusza J; Tapasztó L: The effect of graphene nanoplatelet thickness on the fracture toughness of Si3N4 composites, Ceramics International, under review, 2018
Bódis E; Cora I; Németh P; Tapasztó O; Mohai M; Tóth S; Károly Z; Szépvölgyi J: Toughnening of silicon nitride ceramics by addition of multilayer graphene., Ceramics Internationl, under review, 2018
Tapasztó O; Puchy V; Horváth ZE; Bódis E; Károly Z; Balázsi K; Dusza J; Tapasztó L: The effect of graphene nanoplatelet thickness on the fracture toughness of Si3N4 composites, Ceramics International, 45, 6858-6862, 2019
Bódis E; Cora I; Németh P; Tapasztó O; Mohai M; Tóth S; Károly Z; Szépvölgyi J: Toughnening of silicon nitride ceramics by addition of multilayer graphene., Ceramics Internationl, 45, 4810-4816, 2019
