Výzkum a testování stavebních materiálů v Akademii věd ČR: Od superslitin po propustnost

Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i., se aktivně podílí na výzkumu a vývoji nových materiálů a zlepšování stávajících technologií. Zaměřuje se na široké spektrum materiálů, od pokročilých superslitin pro letecký průmysl až po základní stavební materiály a jejich fyzikální vlastnosti.

Superslitiny a povrchové úpravy pro extrémní podmínky

V Ústavu fyziky materiálů AV ČR se snaží dobrat podstaty poškození a navrhovat nové, lepší materiály. Zabývají se mj. monokrystalickými niklovými superslitinami, které ani za vysokých teplot neztrácejí příliš ze své pevnosti. K dosažení co nejlepších vlastností se k nim přidávají další prvky, nejčastěji chrom, kobalt, hliník, titan, wolfram a tantal. Při hodně vysokých teplotách nastupují kobaltové slitiny. Právě superslitiny rozhodují o výkonu a životnosti motorů, jejich spolehlivosti i maximální rychlosti letu, protože jsou osazovány do kritických míst turbíny s nejvyššími pracovními teplotami.

Povrchové úpravy pro vyšší odolnost

Aby superslitiny vydržely neustálé teplotní změny a mechanické namáhání, musí se chránit speciálními vrstvami, jež mají malou tepelnou vodivost, jsou odolné vůči korozi a teplotním šokům. Komplexními povrchovými úpravami se dá oddálit únava materiálu a jeho degradace, koroze, oxidace, důsledky dopadů částic nebo nečistot ve žhavých plynech a podobně.

Existuje několik typů povrchových úprav založených na různých technologiích. Patří mezi ně difuzní povlaky či vrstvy, kdy se na základní materiál neboli substrát nanese vrstvička obsahující prvek, jímž je potřeba hlavní materiál obohatit. Pak se vše vystavuje vysoké teplotě. Karel Obrtlík z Ústavu fyziky materiálů AV ČR vysvětluje: „Atomy z povlaku difuzí částečně přejdou do substrátu - a z něj naopak přecházejí jiné atomy do povlaku.“ Nakonec mezi základním materiálem a povrchovou vrstvou přestane být ostré rozhraní a vytvoří se přechodná, tzv. difuzní vrstva. Tím se dál zvyšuje oxidační a korozní odolnost základního materiálu, popřípadě se zacelují povrchové vady.

Dále se využívají keramické povlaky nanášené na povrch cíleně zdrsněný tryskáním, ostrými korundovými částicemi apod. Díky tomu do sebe částečky povlaku a substrátu jakoby „zapadnou“ - vytvoří se mechanický zámek. Výsledkem těchto postupů jsou takzvané termální bariéry. Jde o keramické vrstvy sloužící k ochraně základního materiálu před vysokými teplotami. K nanášení na niklové superslitiny se používá plazmový nástřik. Na základní materiál se nejdříve nanese kovový vazebný povlak, který má kompenzovat odlišné mechanické vlastnosti substrátu a nejvrchnější keramické vrstvy. Na něj se pak deponují keramické vrstvy požadovaných vlastností.

Čtěte také: Výhodný prodej prken v Lounech

Ivo Šulák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR, specialista na termální bariéry, objasňuje: „Kov a keramika mají rozdílné koeficienty teplotní roztažnosti. Kdyby se na sebe nanesly přímo a materiál se zahřál na provozní teplotu, mohlo by dojít k oddělení povlaku od substrátu nebo by mohl povlak praskat.“

Plazma pomáhá chránit kovové části letadel

Díky keramické vrstvě chránící motor se dá zvýšit teplota spalování, a tedy snížit spotřeba paliva a zlepšit efektivita motoru. Také badatelé v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR se snaží zdokonalovat plazmové nástřiky a dál vylepšit strukturu ochranných vrstev. Využívají k tomu metodu plazmového stříkání prášků, suspenzí nebo nejnovější postup zvaný plazmové stříkání roztoků. Ve třetím případě se do plazmatu nevpravuje předem připravená sloučenina, ale jednotlivé chemické látky, které spolu za vysokých teplot reagují. Tímto způsobem vzniká přímo během depozice na konkrétní podklad požadovaný materiál s jedinečnými vlastnostmi.

Radek Mušálek z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR uvádí: „Povrchové inženýrství vyžaduje od nástřiků hned několik funkcí. Toho se nejlépe dosáhne tím, že začnete vrstvy kombinovat.“ V ústavu se vydávají směrem k přípravě tzv. vícefázových vrstev. Lze je vytvořit kupříkladu smícháním dvou různých suspenzí, které společně dodají novou funkci, nebo postupným nastříkáním vrstvy A, na ni vrstvy B, dál C atd., přičemž každá nepatrně tenoučká vrstva má jinou funkci. Vrchní třeba chrání proti mechanickému obrušování, kdežto spodní propůjčuje nízkou tepelnou vodivost, zvýšenou chemickou odolnost apod.

Obrana proti pouštnímu písku a sopečnému popelu

V Ústavu fyziky materiálů AV ČR se zaměřili na výzkum speciálních, tzv. gradientních povlaků obsahujících více mezivrstev. Už navrhli povlaky na bázi barya, hořčíku, hliníku a křemíku, resp. oxidů těchto prvků, které by měly odolat agresivnímu prostředí a též degradačnímu působení prachu z okolního prostředí, částic vulkanického původu nebo písků unášených větrem z pouští. Ty totiž v leteckých motorech působí jako brusivo a poškozují povrch lopatek, včetně termálních bariér.

Kompozity, keramické materiály a 3D tisk

Pláště letadel se vyrábějí i z kompozitních materiálů, různé další komponenty pak z velmi lehkých slitin, např. titanových. Jednou z možností, jak ještě vylepšit jejich kvalitu, je upravit jejich povrch vysokoenergetickým laserovým svazkem. Ludvík Kunz, ředitel Ústavu fyziky materiálů AV ČR, poukazuje na širší spolupráci: „To dovedou kolegové v laserovém centru HiLASE, se kterými spolupracujeme v rámci programu Strategie AV21 Nové materiály na bázi kovů, keramik a kompozitů. My umíme stanovit, jestli se tím vylepšily, nebo zhoršily únavové vlastnosti, či jak se změnila struktura materiálu.“

Čtěte také: Stavební řezivo Luštěnice: Přehled cen

Pro konstrukci celého draku letadla se již delší dobu používají kompozitní materiály na bázi hliníku a skleněných vláken, která přemosťují únavové trhliny a zadržují jejich růst. V současnosti ovšem jejich místo začínají přebírat ještě kvalitnější a pružnější polymerní materiály s uhlíkovými vlákny. Prvořadým zájmem vědců, konstruktérů i výrobců je bezpečnost.

Charakterizace a testování fyzikálních vlastností materiálů

Ústav fyziky materiálů AV ČR disponuje širokou škálou zařízení pro detailní charakterizaci materiálů, včetně pokročilých spektroskopických a difrakčních technik.

Mössbauerova spektroskopie

Tato aplikace umožňuje komplexní zpracování Mössbauerových spekter, počínaje nastavením pozadí a jednotlivých komponent podle zvoleného modelu technikou drag-and-drop. Je navržena pro spektroskopii izotopů ⁵⁷Fe a ¹¹⁹Sn s hodnotami jaderného spinu 1/2 a 3/2. Byla použita originální metoda kombinující nelineární metodu nejmenších čtverců s technikou rychlé Fourierovy transformace. Zlepšený maticový formalismus umožňuje konstruovat téměř všechny představitelné fyzikální modely Mössbauerových spekter podporované počítačově podporovaným návrhem maticového modelu. Je možné zavést nejen rozdělení hyperjemného magnetického pole, ale nyní také rozdělení kvadrupólového štěpení dubletů s Gaussovským profilem. V souvislosti s rozdělením se vždy předpokládá, že kvadrupólová interakce je mnohem slabší než magnetická. Pokud je nutné zohlednit konečnou tloušťku vzorku, lze provést výpočet transmisního integrálu. Lze zavést speciální parametr, který charakterizuje zvětšení šířky všech spektrálních čar v závislosti na jejich vzdálenosti od středu spektra (na absolutní rychlosti). Upravená spektra lze pořídit v transmisní nebo zpětně rozptylové (konverzní elektrony) geometrii. Kontaktní osoba: Ing. Pavla Roupcová, Ph.D.

Rentgenová prášková difrakce

Automatický rentgenový práškový difraktometr Empyrean od fy PanAnalytical v roce 2017 nahradil zařízení X´Pert Pro od firmy PanAnalytical. Kontaktní osoba: Ing. Pavla Roupcová, Ph.D.

Elektrické a magnetické vlastnosti

Magnetometry (až 9T, až 800°C) nabízejí možnosti měření: DC rezistivity, AC rezistivity, Hallova jevu, tepelného přenosu, tepelné kapacity a měření magnetorezistance.

Čtěte také: Využití stavebního řeziva Odry

Charakterizace creepových vlastností

Creepové zkoušky a zkoumání procesů probíhajících při creepovém porušení materiálů jsou klíčové pro materiály vystavené dlouhodobému zatížení při zvýšených teplotách. Výzkumná infrastruktura ústavu poskytuje unikátní kapacitu téměř čtyřiceti creepových strojů, vhodných pro stanovení creepových charakteristik jako je doba do lomu, rychlost creepu či celkové creepové prodloužení. Možné jsou experimenty v tahu i tlaku, v řízené síle i napětí a v rozsahu teplot 20°-1000 °C (běžně). Dva nejnovější stroje umožňují provedení experimentů až do 1400 °C ve vakuu či ochranné atmosféře.

Struktura materiálů

Pro fázovou analýzu materiálů s vysokým obsahem železa (do 1000°C) je k dispozici specializované zařízení. Dále je k dispozici spektrometr s vysokým rozlišením pro analýzu povrchu, hloubkovou profilovou analýzu a objemovou analýzu elektricky vodivých i nevodivých vzorků a tenkých vrstev. Ústav nabízí kalibrované metody pro kovové materiály - oceli, slitiny kovů na bázi Ni, Ti, Al a profilovou analýzu.

Únava materiálů

Únavové porušování materiálů je na ÚFM studováno ve skupinách nízkocyklové a vysokocyklové únavy.

Měření základních fyzikálních a mechanických vlastností stavebních materiálů

Bezpečnost je prvořadým zájmem vědců, konstruktérů i výrobců. Pro stavební materiály je důležité znát základní fyzikální a mechanické vlastnosti. Popis vypáleného vzorku je prováděn na základě pozorování vzorků po jejich výpalu v závislosti na výši vypalovací teploty.

Zjišťování rozměrů a tvarových odchylek

Při měření skutečných rozměrů je potřeba předem očistit hrany a případně plochy zkušebních vzorků a zbavit je větších výčnělků. Poté měříme posuvným měřítkem základní rozměry (délku l, šířku b a tloušťku h) na všech čtyřech plochách, a to vždy na spojnici středů protilehlých hran. Pro každý rozměr provedeme tři měření a vypočteme aritmetický průměr. Zatřídění se provede na základě porovnání skutečných odchylek jmenovitých rozměrů v mm a tzv. mezních odchylek, odvozených z ČSN EN 771-1 Specifikace zdicích prvků - Část 1 Specifikace pálených prvků.

Nasákavost

Princip: Nasákavost je schopnost vypáleného keramického materiálu přijímat kapalinu.

Postup: Zvážené vysušené vzorky se umístí do nádoby tak, aby se nedotýkaly stěn nádoby ani vzájemně. Do nádoby se nalije voda v takovém množství, aby byly všechny vzorky zcela ponořeny. Následně se voda uvede do varu a ten se udržuje po 2 hodiny. Odpařená voda se doplňuje tak, aby byly vzorky stále ponořeny. Po ukončení varu se vzorky nechají vychladnout na okolní teplotu. Poté se vzorky povrchově osuší a zváží se jejich hmotnost.

Objemová hmotnost

Princip: Objemová hmotnost výrobku je hmotnost jednotkového objemu vzorku, včetně dutin a pórů. U pravidelných těles se zjišťuje váhovou metodou (gravimetricky). (Hydrostatickým vážením u nasáknutých těles nepravidelného tvaru).

Postup zkoušení: U vzorků pravidelného geometrického tvaru je možno objem vypočítat z průměrných hodnot vnějších rozměrů, určených ze sady 10 kusů vzorků. Objemová hmotnost udává hmotnost objemové jednotky vysušeného vzorku včetně uzavřených a otevřených pórů (kg/m³), je vždy menší než měrná hmotnost vzorku.

Zdánlivá pórovitost

Princip: Objemu V vzorku se zjišťuje z množství vytlačené vody vážením vzorku na vzduchu a ve vodě, anebo přímo změřením vytlačené vody v odměrném válci.

Zkušební zařízení: Hydrostatické váhy a odměrný válec.

Postup zkoušky: Zkouška se provádí současně se zkouškou nasákavosti na 5 stejných vzorcích. Nasycené vzorky odvážíme na hydrostatických vahách ve vodě o teplotě 23 ± 2°C. Vzorek nasycený vodou zavěsíme na pomocnou konstrukci a ponoříme do vody tak, aby se nedotýkal stěn nádoby a byl celý pod vodou. Po odstranění vzduchových bublin odečteme hmotnost ve vodě m_nw. Pro zjištění hmotnosti na vzduchu odstraníme nádobu s vodou, vlhkou tkaninou ze vzorku otřeme povrchovou vlhkost a určíme jeho hmotnost na vzduchu m_n. Stanovuje se společně se stanovením objemové hmotnosti a udává poměr objemu otevřených pórů vzorku k jeho celkovému objemu včetně pórů.

Měrná hmotnost

Stanovuje se společně se stanovením objemové hmotnosti a zdánlivé pórovitosti a udává hmotnost vysušeného vzorku na jednotku jeho objemu včetně uzavřených pórů.

Vzlínavost

Princip: Při styku neslinutého střepu s kapalinou začne kapalina účinkem kapilárních sil vnikat do otevřených pórů a to i proti působení kapilární síly. Tuto vlastnost označujeme jako vzlínavost.

Postup zkoušení: Pro rychlejší odečet si vzorky předem označíme po 1 mm. Takto upravené zkušební vzorky se postaví do dostatečně vysoké nádoby s plochým dnem, ve které je nalitá destilovaná voda. Vzorky do nádoby postavíme na podstavce, aby k nim měla voda dobrý přístup a aby sahala do výšky cca 5 mm od spodního okraje vzorku. Výška vzlinutí se měří v časovém intervalu 5 minut od doby vložení vzorků do vody. Z naměřených hodnot se vykreslí grafická závislost vzlinutí na čase.

Výkvěty

Výkvěty způsobují soli, které krystalizují na povrchu keramického střepu. Jsou to zejména kationty Ca, Mg, různé alkálie aj. Tyto soli způsobují nežádoucí zbarvení a barevné skvrny - výkvěty.

Princip: Principem zkoušky je rozpuštění solí obsažených ve vypáleném zkušebním vzorku v destilované vodě a doprava vzniklých roztoků na povrch.

Postup zkoušky: Zkušební vzorek se postaví do misky s destilovanou vodou, která dosahuje do výše 10 mm od spodního okraje vzorku. Vzorek se v misce ponechá po 7 dní. Po tuto dobu je třeba doplňovat odpařenou vodu.

Mechanické vlastnosti

Z mechanických vlastností se určuje zejména pevnost v tahu za ohybu, pevnost v tlaku a únosnost.

Pevnost v tahu za ohybu

Princip: Provádí se přímo na výrobcích. Cílem zkoušky je zjistit tahové napětí vyvolané ohybovým momentem při porušení vzorku.

Příprava vzorků: Před každou zkouškou změříme potřebné rozměry s přesností ± 1 mm.

Postup zkoušky: Zkušební vzorek umístíme upravenými stykovými plochami na podpěry. Jejich délka je nejméně rovna šířce vzorku a jejich průměr je 10 mm. Osovou vzdálenost podpěr upravíme tak, aby oba okraje vzorku symetricky přesahovaly o 25 mm. Zatížení se přenáší na horní stykovou plochu vzorku uprostřed rozpětí tlačným válečkem. K dokonalému přilehnutí podpěr i tlačného válečku se vkládá mezi vzorek a podpěry 5 mm tlustá pryžová vložka. Takto opatřený vzorek zatěžujeme plynule až do jeho zlomení.

Pevnost v tlaku

Příprava vzorku: Tlačné plochy vzorků musí být zarovnané a vzájemně rovnoběžné. Provedeme to obroušením na rovinné brusce anebo vytvořením tenké, maximálně 10 mm tlusté vyrovnávací vrstvy z cementové malty.

Postup: Vzorek (nebo postupně oba zlomky) vložíme na dolní tlačnou desku lisu a opatrně zatížíme tak, aby jeho horní tlačná deska opatřená kulovým kloubem dosedla na celou plochu vzorku nebo zlomku.

tags: #akademie #ved #stavebni #materialy #propustnost

Oblíbené příspěvky:

• Jak správně nivelovat podlahu před pokládkou plovoucí podlahy
• Cementový pačok v moderní architektuře: kompletní průvodce
• Kompletní průvodce izolací podlahového topení
• Proč si vybrat Xone:23C pro DJing?
• Použití OSB Superfinish ECO