Opracowanie technologii otrzymywania kompozytów gradientowych o geometrii rurowej do transportu substancji agresywnych

OPIS PROBLEMU

Transport ciekłych, agresywnych substancji chemicznych, zwłaszcza o wysokiej temperaturze, w procesach produkcyjnych np. w reaktorach chemicznych wymaga zastosowania rur z materiałów o specjalnych właściwościach. Muszą one wykazywać odpowiednią odporność chemiczną, odporność na wysokie temperatury, odporność na ścieranie cząstkami stałymi i inne. Jednocześnie konieczny jest wysoki poziom właściwości mechanicznych w podwyższonych temperaturach, zwłaszcza odporność na pękanie.

Materiałem odpornym na wiele substancji stosowanych w przemyśle chemicznym jest ceramika korundowa - Al₂O₃. Materiał ten charakteryzuje się obojętnością chemiczną i żarowytrzymałością, a przy tym jest stosunkowo tani. Stosowane procesy technologiczne pozwalają na formowanie rur korundowych. Wysoka twardość Al₂O₃ zapewnia dużą odporność na zużycie ścierne. Problem stanowi jedynie mała odporność na kruche pękanie ceramiki.

Materiałem optymalnym do takich zastosować wydaje się kompozyt gradientowy, gdzie w warstwie wewnętrznej rury byłaby wyłącznie ceramika Al₂O₃, w warstwie przypowierzchniowej (zewnętrznej) cząstki metaliczne, np. niklu, rozmieszczone w ceramicznej osnowie. Udział cząstek metalicznych powinien zmniejszać się stopniowo (gradientowo) w kierunku osi rury. Struktura taka zapewnia podwyższoną odporność na kruche pękanie w warstwie wierzchniej, ponieważ metaliczne cząstki powstrzymują migrację pęknięć. Gradientowość struktury sprawia, że naprężenia własne materiału, wynikające np. z różnej rozszerzalności cieplnej obu komponentów, zmieniają się w sposób ciągły.

OPIS TECHNOLOGII

Uzyskanie kompozytów Al₂O₃-Ni w postaci rur o strukturze gradientowej umożliwia metoda żelowego odlewania odśrodkowego mas lejnych. Masę lejną stanowi jednorodna zawiesina proszków ceramicznego i metalicznego z dodatkiem substancji pomocniczych i monomeru, który pod wpływem inicjatora ulega polimeryzacji w trakcie procesu odlewania. Większa gęstość metalu i większa wielkość jego cząstek sprawiają, że działająca na nie siła odśrodkowa jest większa od siły działającej na cząstki ceramiczne. Cząstki metalu poruszają się szybciej i dzięki temu warstwa wierzchnia jest wzbogacona w nikiel w stosunku do warstw głębiej położonych. Powierzchnia wewnętrzna rury składa się jedynie z cząstek ceramicznych. Siła odśrodkowa sprzyja uzyskaniu dużego zagęszczenia proszku. Monomer polimeryzując wiąże cząstki obu proszków utrwalając uzyskaną strukturę kompozytu. Kształtki po wysuszeniu są spiekane, a substancje organiczne ulegają wypaleniu.

Warunkiem uzyskania materiału pozbawionego wad strukturalnych jest właściwy dobór składu masy lejnej oraz parametrów procesu odlewania i spiekania.

Zalety opracowanej technologii to:

wytworzenie struktury gradientowej w jednym procesie;
uzyskanie wyrobu o funkcjonalnym kształcie rury;
wysoka gęstość spieku wynikająca m. in. z dobrego zagęszczenia proszków wspomaganego działaniem siły odśrodkowej;
brak warstwy wierzchniej zubożonej w cząstki metaliczne, charakterystycznej dla kompozytów gradientowych otrzymywanych metodą odlewania gęstwy.

INNOWACYJNOŚĆ TECHNOLOGII

Metoda odlewania żelowego (gelcasting) jest metodą stosunkowo nową, nie stosowaną w kraju na skalę przemysłową. W połączeniu z odlewaniem odśrodkowym stanowi rozwiązanie nowe w skali światowej.

Rury wykonane z kompozytu gradientowego mogą służyć do transportu:

agresywnych cieczy;
produktów ropopochodnych;
zawiesin cząstek stałych.

Podwyższone, dzięki obecności cząstek metalicznych, przewodnictwo cieplne warstwy wierzchniej predysponuje te materiały również na elementy wymienników ciepła.

Zespół wykonawców projektu jest w posiadaniu patentu „Sposób wytwarzania elementów kompozytowych z gradientem fazy metalicznej” z dnia 20.12.2019 r. (autorzy: Katarzyna Konopka, Waldemar Kaszuwara, Mikołaj Szafran, Justyna Zygmuntowicz, Aleksandra Miazga, Paulina Wiecińska).

Praca realizowana w ramach projektu TANGO-V-A/0004/2021-00 pt. Opracowanie technologii otrzymywania kompozytów gradientowych o geometrii rurowej do transportu substancji agresywnych.

KONTAKT

Waldemar Kaszuwara, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul.Wołoska 141, 02-507 Warszawa, e-mail: waldemar.kaszuwara@pw.edu.pl
Justyna Zygmuntowicz, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul.Wołoska 141, 02-507 Warszawa, e-mail: justyna.zygmuntowicz@pw.edu.pl