Materiály pro fúzní aplikace
- Interakce materiálů s plazmatem relevantním pro termojadernou fúzi je studována zejména ve spolupráci s oddělením tokamak ÚFP na zařízení COMPASS. Studium je zaměřeno např. na erozi materiálů pro první stěnu budoucích fúzních zařízení za různých podmínek plazmového výboje. Širší spektrum možných zatížení – od tepelných šoků po dlouhodobé expozice - je simulováno též laboratorním plazmatem, případně energetickými svazky (fotony, ionty, elektrony,...).
- K přípravě povrchových vrstev na bázi wolframu využíváme především plazmového stříkání. Pro konkrétní cílené studie jsou využívány jak vodou stabilizovaný tak hybridní plazmatron. Proces je postupně optimalizován s cílem dosáhnout co nejvyšší tepelné vodivosti, přilnavosti a odolnosti proti tepelným šokům. Provádíme experimenty s cílem modifikovat mikrostrukturu nástřiku (omezení oxidace během depozice inertní clonou, povrchové přetavení, apod.).
- K přípravě materiálů pro fúzní aplikace rovněž využíváme slinování prášků metodou SPS, jež poskytuje výbornou opakovatelnost a možnost míchání takřka neomezených kombinací prášků v libovolném poměru. Velkou výhodou SPS technologie je krátká doba slinování, což brání nežádoucímu růstu zrna například při slinování nanometrických prášků wolframu. Lze také kombinovat mikrometrické kovové a nanometrické keramické prášky, což umožňuje například přípravu tzv. oxidicky zpevněných wolframových slitin.
- Hlavní spolupráce: Forschungszentrum Jülich, Max Planck Institute of Plasma Physics (Garching, D), Dutch Institute for Fundamental Energy Research (Eindhoven, NL), Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion (Varšava, PL), CV Řež a.s.
Příprava speciálních vrstev (tlusté, velkoplošné a funkčně gradované nástřiky)
- Plazmové stříkání je jednou z metod žárového stříkání, které se vyznačuje tím, že k roztavení a urychlení práškového materiálu je využíván zdroj plazmatu (plazmový hořák - plazmatron). Specifikem našeho oddělení je, že využíváme světově unikátní technologii - plazmový hořák založený na vodní stabilizaci plazmatu. Jejím principem je oddělení plazmatu od materiálu vnitřní komory pomocí vodní stěny, kdežto u konvenčních hořáků se typicky jedná o proud inertního plynu. Toto řešení umožňuje dosahovat extrémně vysokých entalpií při relativně nízkých provozních nákladech. Technologicky důležité je, že vodou stabilizované hořáky umožňují nanášet v krátké době velké množství materiálu, což je činí ideálními pro depozici tlustých (řádově až několik milimetrů) a velkoplošných (omezení dáno velikostí stříkacího boxu) nástřiků. Změnou složení podávaného materiálu je také možné připravovat funkčně gradované materiály (FGM) a vrstevnaté kompozity pro nejrůznější aplikace.
- Mezi naše nejčastěji deponované materiály patří: keramika (Al2O3, TiO2, ZrO2, ZrSiO4, ...), kovy (oceli, čisté kovy a slitiny na bázi W, Cu, Ni, Al, ...), kompozity, přírodní materiály (silikáty, granáty, čediče, ...), technické strusky a speciální materiály (titanáty, karbidy, aluminidy, vybrané eutektické slitiny, ...).
- Hlavní spolupráce: FS a FJFI ČVUT v Praze, řada průmyslových partnerů
Nanomateriály
- Na našem pracovišti připravujeme nanomateriály pomocí dvou různých přístupů. Tradičnější postup spočívá ve slinování nanometrických prášků pomocí technologie SPS, která díky krátkým slinovacím časům omezuje nežádoucí růst zrna. Druhou možností je plazmová depozice amorfních vrstev a jejich dodatečné žíhání. Tento patentovaný postup vede k vytvoření rovnoměrných nanometrických zrn ve skelné matrici.
- Hlavní spolupráce: MFF University Karlovy
Mechanické vlastnosti a procesy porušování žárových nástřiků
- Mikrostruktura plazmových (resp. obecněji žárových) nástřiků se významně liší od materiálů připravených konvenčními metodami. Hlavním rozdílem je přítomnost velkého množství rozhraní ve formě mikro- a makrotrhlin a pórů a rozhraní mezi fázemi (například nástřik-substrát, oxidy apod.). Cílem vývoje žárových nástřiků je těchto mikrostrukturních "defektů" využít k vylepšení funkčních vlastností nanesených vrstev. Ukazuje se například, že volnější mikrostruktura nástřiků umožňuje výrazně zvýšit odolnost keramických povlaků proti deformaci nebo teplotním šokům, což je kritické pro jejich uplatnění například v oblasti termálních bariér lopatek proudových motorů a jiných dynamicky zatěžovaných systémech.
- Na našem oddělení se rovněž zabýváme fraktografií žárových nástřiků, t.j. studiem vzniku a šíření porušení při různých režimech simulovaného i reálného zatěžování. Fraktografie žárových nástřiků je specifická zejména tím, že poznatky z fraktografie konvenčních materiálů nelze na nástřiky přímo aplikovat (vinou rozdílné interakce šířící se trhliny s okolním materiálem) a také tím, že nástřiky jsou určeny zejména jako ochranné bariéry do extrémních podmínek (zvýšené teploty, proměnlivé mechanické namáhání, korozní prostředí, otěr, apod.), které se v reálném provozu často kombinují, což fraktografickou analýzu dále komplikuje.
- Hlavní spolupráce: ČVUT v Praze, University West (Švédsko), Stony Brook University (USA)
Strukturní a fázové složení
- Na našem oddělení se zabýváme popisem změn struktury a fázového složení materiálů po jejich interakci s plazmatem a také tím, jak tyto změny ovlivňovat, případně přímo využít. Zabýváme se studiem možných mechanismů stabilizace fázového složení, procesy oxidace a koroze. Pro studium procesů probíhajících během letové fáze žárového stříkání používáme metodu stříkání do kalícího média (například tekutého dusíku).
- Hlavní spolupráce: Fraunhofer IWS (Drážďany, Německo)
Fotokatalýza
- Fotokatalýza je UV zářením anebo viditelným světlem aktivovaná povrchová reakce, která vede k rozštěpení složitých molekul (typicky organických látek) až na jednoduché anorganické látky jako je voda, oxid uhelnatý, oxid uhličitý a kyslík. Snahou je pomocí fotokatalyzátoru odbourávat z ovzduší a z vody toxické látky. Na našem oddělení se zaměřujeme na plazmové stříkání materiálů na bázi oxid titaničitého (TiO2) s různými dopanty (např. Al, N, Fe, Ba), který je pro svou strukturu tzv. zakázaného pásu velmi perspektivním fotokatalyzátorem. Hlavní výhodou použití plazmového stříkání pro depozici fotokatalytických vrstev je potenciální možnost nástřiku na velké plochy a komplexní tvary a velký měrný povrch nástřiku.
- Hlavní spolupráce: Ústav anorganické chemie AVČR
Dielektrické materiály
- Tzv. dielektrika jsou materiály, které se při přiložení vnějšího elektrického pole polarizují a umožňují tak uchovávat energii bez její přeměny. Běžně se vyrábějí slinováním z oxidické keramiky. Nacházejí uplatnění v elektrotechnických součástkách jako jsou kondenzátory, senzory, izolační součástky do zvláštních podmínek, jako jsou vysoké proudové hustoty, zvýšené teploty, chemicky agresivní prostředí.
- Na našem oddělení experimentujeme s přípravou dielektrických materiálů pomocí plazmových a ve spolupráci obecně žárových nástřiků. Testujeme jejich chování při proměnlivé frekvenci střídavého pole, při změnách teplot, zabýváme se závislostí naměřených veličin na mikrostruktuře, krystalové stavbě a chemické čistotě materiálů. Plazmové stříkání svou technologickou variabilitou rozšiřuje výrobní možnosti přípravy dielektrik. Krom toho jsou v některých případech v chování nástřiků a slinutých materiálů i fyzikálně fundamentální rozdíly: posuny teplot fázové transformace, částečně amorfní látky místo krystalických, možnosti připravit kovokeramickou směs nebo tzv. funkčně gradovanou vrstvu. Studujeme různé aspekty těchto rozdílů.
- V hlavních principech analogické rozdíly mezi slinutými a nastříkanými keramikami platí i pro feroelektrické a piezoelektrické látky. Hlavní pozornost jsme dosud věnovali materiálům na bázi CaTiO3, BaTiO3, MgTiO3, PbTiO3-ZrTiO3 (PZT), Al2O3-TiO2 a přírodním i syntetickým silikátům.
- Hlavní spolupráce: Katedra elektrotechnologie Fakulty elektrotechnické ČVUT.
