Napjainkra az AT kerámiák felhasználási köre – ismerve az adott korlátokat – meglepően széles. Az alkalmazások gyakorlatilag két csoportra oszthatók:
- gépjármű gyártás – alapvetően a belsőégésű motorok alkatrészei, - más, különálló csoportokra osztható egyedi alkalmazások.
Az AT bázisú kerámiai anyagok ipari alkalmazásának első felhasználási területe a különböző fémek olvasztási technológiáihoz kapcsolódik. Milosevski és szerzőtársai [8] öntöde ipari, az olvadt fémek csapolásakor elzáró csappantyúként történő alkalmazásról számolnak be. Szintén ezek a szerzők írják le az AT kerámiák olvadt uránium tárolására, ill. üvegipari öntőformák előállítására vonatkozó felhasználását.
Szintén fémolvadékokhoz kapcsolódik az AT kerámiai anyagoknak Al, ill. Ag olvadékba merülő termoelemek védőcsöveként történő alkalmazása [16]. Dworak és Fingerle [13] elsősorban a vas és alumínium öntészetben történő felhasználást említi meg, de kitérnek hőcserélőként, katalizátor hordozóként való alkalmazásra is.
Mindezen területek mellett napjainkban egyre inkább előtérbe kerülnek a belsőégésű motorok gyártásához kapcsolódó alkalmazások, ahol a cél az un. kerámia motorok létrehozása. Alapvető célkitűzésként szerepel, hogy kerámiák alkalmazásával csökkentsék a zajt, a szennyeződés kibocsátást és a tömeget. Természetesen a fém alkatrészek nem helyettesíthetők teljes mértékben kerámiákkal, de a megfelelő helyeken alkalmazott kerámiai komponensek megóvhatják a fémeket a károsodástól.
A leggyakrabban alkalmazott megoldás a dugattyú és a hengerfej kerámiával történő bevonása [13, 14, 21, 56].
A hagyományos diesel motorok esetén az üzemanyag égése során felszabaduló energia 30 %-a abszorbeálódik a hűtővízben. Amennyiben sikerül teljesen hűtésmentes motorokat előállítani [az USA-ban az Energiaügyi Minisztérium (DOE) több projektet is futtat ebből a célból, pl. katonai alkalmazásokra], úgy lényeges hatásfokjavulást lehetne elérni. A reális cél a 15 – 20 %-os veszteség-csökkentés [13]. Az AT kerámiák jó hőlökésállóságuknak és kis hővezető-képességüknek köszönhetően alkalmasak arra, hogy bevonatként, bélésként, betétanyagként csökkentsék a hőáramot, pl. a hengerfejen keresztül (akár 60 %-os hatásfokkal!) [13, 14].
Amennyiben pedig a diesel motorok turbófeltöltő kompresszorának bélésanyagaként használják az AT kerámiákat, magasabb kipufogógáz hőmérséklet érhető el, amely amellett, hogy a gépjármű nagyobb gyorsulását eredményezi, sokkal hatékonyabbá teszi a katalizátor működését, így kisebb szennyezőanyag-kibocsátás érhető el főként a kritikus hideg indításkor, ill. üresjáratban.
Az AT bevonat egyúttal feleslegessé teszi a motor teljes méretének 13 %-át is kitevő hűtőterületet, amely egyrészről, méret (és súly) megtakarítást eredményez, másrészről pedig új utakat nyit a tervezők részére a minél optimálisabb aerodinamikai tervezés megvalósításában.
Hasonlóan konkrét gyakorlati felhasználásról számolnak be kínai kutatók, akik az AT kerámiai bevonattal ellátott motor teszteléséről írnak, miszerint az ilyen motorral működő teherautó 1000 járműórát, ill. közúton megtett 25.000 km-t teljesített kitűnő eredménnyel [63].
A 23. ábra AT-ból készült, diesel motorok alkatrészeihez felhasznált idomokat mutat, amelyek sorra: dugattyú furat bélés, dugattyú fej betét, égéskamra bevonat [14].
22. ábra
AT kerámiából készült motoralkatrészek
Ezen részegységek mellett jelenleg is kísérleteznek az AT kerámiáknak kipufogó vezetékek, ill. azok gyűjtőcsövénél és a hengerek örvénykamráinál történő felhasználásával, valamint a szelepszárak szigetelésénél szintén AT bázisú kerámiai anyagok alkalmazásával [14, 21, 56].
Az Irodalmi rész összefoglalásaként elmondható, hogy az AT-tal kapcsolatos kutatások igen szerteágazóak, a témával foglalkozó kutatók nagyszámú publikációt jelentettek meg.
Az AT kiváló hőtechnikai tulajdonságainak köszönhetően ígéretes szerkezeti anyagnak tekinthető. A szerzők egyetértenek abban, hogy az AT bázisú kerámiai anyagok -ipari felhasználhatóságot gátló- fizikai, kémiai tulajdonságai adalék- anyagok alkalmazásával nagymértékben javíthatók.
Meglepő módon azonban számos kérdés máig sem tisztázott pontosan.
Ilyen, pl. az AT képződésének, ill. bomlásának mechanizmusa. Több szerző foglalkozik a szintézis, ill. a dekompozíció során képződő (vagy nem képződő …) átmeneti fázisok szerepével, egységes vélemény azonban nem alakult ki.
Arról a megfigyelésről, hogy a MgO adalék jelenlétében lejátszódó AT képződés során ténylegesen szerepet játszik valamilyen átmeneti fázis, 3 publikáció (Buscaglia és szerzőtársai [18, 56] valamint Huang és munkatársai [47]) számol be, eltérő részletességgel.
Bár az AT kialakulását eredményező folyamatok leírásában más véleményen vannak, a szerzők egyetértenek abban, hogy az x<0,5 helyettesítő érték esetén első lépésben spinell (MgAl2O4) alakul ki. Ezen kristályos fázis, ill. annak további reakciói eredményezik a megfelelő sztöchiometriájú titanát fázis kialakulását.
Ohaya [12] valamint Djambazov és szerzőtársai [37] is említik a spinellt, mint a rendszerben azonosítható kristályos fázist, azonban publikációjukból nem derül ki, hogy az, átmeneti fázisként szerepet játszik-e a titanát szilárd oldatok kialakulásában.
Amennyiben a helyettesítés mértékére utaló x érték nagyobb, mint 0,5 , Buscaglia [18] MgTi2O5 összetételű átmeneti fázist feltételez, azonban ennek megléte (az általam a 6.1. fejezetben bemutatásra kerülő gondolatmenet szerint) kétséges. Huang és munkatársai [47] véleménye szerint ebben az esetben a spinell mellett egy pontosan meg nem határozott összetételű szilárd oldat is szerepelhet, mint átmeneti fázis.
A Fe2O3 adalék jelenlétében lejátszódó AT képződés esetén Tilloca [38], valamint Buscaglia és szerzőtársai számolnak be átmeneti fázis jelenlétéről. Az átmeneti vegyület összetételére mindkét esetben Fe2TiO5-t adnak meg.
Az AT bomlási mechanizmusának tanulmányozása során az irodalmakban található utalás a különböző adalékok bomlást befolyásoló hatásáról [6, 15, 21, 27, 35, 36, 61, 62], de csak Buscaglia, Nanni és Leoni [61], ill Buscaglia és Nanni [62] említ meg konkrét fázist, a spinellt, mint lehetséges átmeneti vegyületet a bomlás lejátszódása során.
Ezek alapján továbbra is nyitott a kérdés az átmeneti fázisok meglétét/szerepét illetően az AT képződése, ill. bomlása során.
Az adalékanyagok fizikai tulajdonságokra gyakorolt hatását a különböző szerzők részletesen ismertetik, de hiányos a bizonyos adalékok jelenlétében kialakuló szilárd oldatok jellemzése (szilárd oldat típusa, -összetétele, -azonosítási lehetőségei, stb).
A MgO adalék szerepéről 3 hivatkozás (Ishitsuka és szerzőtársai [36], Ohya és kollégái [12], valamint Djambazov és munkatársai [37]) számol be, amelyek szerint a Mg2+-ion korlátlan oldódású szilárd oldatot képez az AT-tal.
A Fe3+-ionra vonatkozóan Ohya és szerzőtársai [12], valamint Tilloca [38] hasonló következtetésre jutottak, bár meg kell jegyezni, hogy Tilloca nem vizsgálta végig a teljes helyettesítési sort, kísérletei során csak az x=0,20 értékig (azaz 10 %(n/n)-ig) alkalmazta a Fe3+-ion adalékot. Ezen kísérletek alapján tehát nem bizonyított a Fe3+-ion korlátlan beépülése az AT kristályrácsába.
A többi, adalékként alkalmazott kation esetén még kevésbé egyértelmű a kép. A Si4+-ion esetén Ishitsuka és társai [36] korlátozott oldódású szilárd oldat képződését feltételezik, míg Alpradi és kollégái [41] szerint nincs bizonyíték a Si4+-ion kristályrácsba történő beépülésére, szerintük ezen adalék teljes mennyisége olvadékfázis kialakításában vesz részt.
Hasonlóan kétséges a Zr4+-ion szerepe is. Ishitsuka –hasonlóan a Si4+-ionhoz- korlátozott oldódást tételez fel, Parker [27] ezzel ellentétben azt állítja, hogy a ZrO2
adalék ZrTiO4 összetételű vegyületet alakít ki.
Mivel a különböző kationoknak az AT kristályrácsába történő beépüléséről sem alakult ki egységes vélemény, nem meglepő, hogy az azok alkalmazása során nyert szilárd oldatok jellemzése, azok azonosítási lehetőségei gyakorlatilag egyetlen publikációban sem követhetők nyomon.
Mivel a publikált eredmények főként alapkutatási tématerületekhez kapcsolódnak, a gyakorlati felhasználás szempontjából kevés az információ azokról az összetételekről, adalékanyag típusokról, -mennyiségekről amelyek az AT kerámiák ipari alkalmazását lehetővé teszik.
Ahogyan a 8. fejezetben bemutatom –főként a robbanómotorok gyártásában- egyre biztatóbb az AT kerámiák bevezetése az ipari gyakorlatba. Azt természetesnek gondolom, hogy az állami (USA, Kína) támogatású, főként katonai célú projektek fontosabb eredményei nem jelennek meg azonnal az irodalmakban, mégis meglepő, hogy gyakorlatilag nincs információ azon adalékanyag mennyiségekről, amelyek alkalmazásakor a gyakorlatban felhasználható kerámiákat kapunk.
Megállapítható tehát, hogy az adalékanyagok és az AT reakciója során lejátszódó folyamatok pontosabb megismeréséhez további vizsgálatok szükségesek.
Ezek alapján munkám célja annak vizsgálata volt, hogyan befolyásolják az adalékanyagok a MgO-Al2O3-TiO2 és a Fe2O3-Al2O3-TiO2 rendszerben kialakuló szilárd oldatok képződési körülményeit, tulajdonságait. A kutatás több részből tevődött össze:
- az AT képződési mechanizmusának és kinetikájának tanulmányozása (az átmeneti fázisok azonosítása, a technológiai paraméterek hatásának vizsgálata),
- az Al2O3-TiO2 rendszerben az adalékanyagok jelenlétében kialakuló szilárd oldatok vizsgálata,
- az AT-bázisú kerámiák fizikai (termofizikai) tulajdonságainak tanulmányozása.