W obliczu rosnących wymagań rynkowych, poszukiwanie materiałów o wyjątkowej trwałości i odporności staje się kluczowe. Odpowiedzią na te potrzeby jest projekt, który dotyczy opracowania materiałów ceramicznych o wyjątkowo wysokiej temperaturze topnienia z przeznaczeniem na źródła do wytwarzania powłok do zastosowań w skrajnych warunkach termicznych i mechanicznych, m.in. w przemyśle lotniczym, kosmicznym oraz energetycznym.
Materiały ceramiczne typu UHTC (Ultra High Temperature Ceramics) charakteryzują się wyjątkową odpornością temperaturową, odpornością na ścieranie, wysoką twardością, odpornością chemiczną oraz – co nietypowe dla ceramiki – przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Właściwości te nadają UHTC unikatowy potencjał do zastosowań, w których wymagana jest nie tylko wysoka wytrzymałość, ale również możliwość skutecznego przewodzenia ciepła. Dzięki temu materiały te mogą być wykorzystywane do tworzenia np. powłok ochronnych dla narzędzi skrawających oraz elementów pracujących w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych.
– W konwencjonalnych metodach wytwarzania materiałów ceramicznych z proszków (procesy spiekania) nagrzewanie materiału odbywa się powoli, co powoduje duże zużycie energii. Projekt zakłada wykorzystanie innowacyjnej metody SPS (Spark Plasma Sintering), która dzięki nagrzewaniu impulsami prądowymi, przepływającymi bezpośrednio przez spiekany materiał, umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej prędkości nagrzewania. W procesie spiekania materiałów ceramicznych oznacza to skrócenie czasu produkcji z kilkunastu godzin nawet do jednej – mówi Dr Jolanta Laszkiewicz-Łukasik – liderka projektu w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Krakowski Instytut Technologiczny.
– Zamiast stosować gotowe, kosztowne proszki ceramiczne, proces oparłam na wykorzystaniu tzw. prekursorów reakcji, czyli tańszych składników bazowych, takich jak proszki metali np. tantalu i boru, z których otrzymuję ceramikę. Takie podejście nie tylko znacząco redukuje koszty, ale pozwala na dobór proporcji zastosowanych składników w zależności od potrzeb – podkreśla pani doktor.
Uzyskanie ceramicznych spieków ultrawysokotopliwych o wymaganych, dobrych właściwościach stwarza trudności technologiczne. Zastosowanie metody SPS pozwala na jednoczesne przeprowadzenie reakcji chemicznej oraz zagęszczenie materiału, co znacząco skraca czas procesu produkcyjnego. Proces ten pozwala także na eliminację cienkich warstw tlenków, które często tworzą się na powierzchniach proszków metali i utrudniają procesy dyfuzyjne. Jej zaletą jest również precyzyjne kontrolowanie procesu, w tym dostosowanie prędkości nagrzewania oraz zastosowanie ciśnienia, co przyczynia się do uzyskania oczekiwanych właściwości mechanicznych i fizycznych materiałów.
Materiały, które powstają w ramach projektu „UltraCer”, będą miały szerokie zastosowanie tam, gdzie odporność na ekstremalnie wysokie temperatury i utlenianie są kluczowe. Powłoki ceramiczne wykonane z tych materiałów mogą być używane na krawędziach natarcia skrzydeł promów kosmicznych, czy w turbinach silników odrzutowych.
Przemysł narzędziowy i obróbka skrawaniem również wymagają coraz bardziej zaawansowanych materiałów. Dzięki wysokiej przewodności cieplnej i elektrycznej, powłoki z materiałów opracowanych w ramach projektu mogą być stosowane na powierzchniach, takich jak stal czy węgliki spiekane. Wpływając na odprowadzanie ciepła i redukcję naprężeń, nowe powłoki zapewnią dłuższą żywotność narzędzi oraz zwiększą efektywność procesu obróbki.
Projekt „UltraCer” obejmuje kilka etapów badawczo-rozwojowych. Obecnie prowadzone są badania nad doborem i przygotowaniem odpowiednich materiałów bazowych, takich jak borki i węgliki metali przejściowych. Na dalszych etapach realizacji projektu przewidziane jest opracowanie prototypów targetów PVD, czyli materiałów służących do nanoszenia powłok na powierzchnie robocze, metodą Physical Vapour Deposition. Ostatecznym celem projektu jest przetestowanie wyprodukowanych targetów w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych, ich produkcja, jak i możliwość sprzedaży licencji na ich wytwarzanie.
Badania nad materiałami UHTC mają ogromne znaczenie dla rozwoju technologii materiałowej. „UltraCer” to projekt, który nie tylko wpisuje się w aktualne trendy rozwoju technologii materiałowej, ale również wyznacza nowe standardy w produkcji materiałów o wysokiej odporności. Innowacyjne podejście dr Laszkiewicz-Łukasik otwiera nowe możliwości w zakresie tworzenia trwałych, wytrzymałych materiałów, które są jednocześnie bardziej ekonomiczne i ekologiczne w produkcji. Dzięki wykorzystaniu nowoczesnych metod oraz dostosowywaniu ich do specyficznych potrzeb przemysłu, projekt ten ma szansę zrewolucjonizować zastosowanie ultra wysokotopliwych powłok ceramicznych przyczyniając się do ich szerszego wykorzystania w różnych gałęziach gospodarki.
Projekt „UltraCer: Innowacyjne targety PVD dla ultra wysokotopliwych powłok ceramicznych, spiekane reakcyjnie metodą SPS” (nr LIDER14/0268/2023) jest realizowany w ramach programu NCBR – LIDER XIV.
