A Lendület mérlege: újszerű anyagok és megbecsült tanszéki kutatóállomány

Újabb öt évre nyert akadémiai támogatást és folytathatja a kompozit fémhabok alaposabb megismerését a BME GPK haladó lendületes kutatócsoportja.

„Óriási mérföldkő és egyben hatalmas megtiszteltetés egy kutató számára, amikor sikerrel pályázik az Akadémia felhívására, és lehetőséget kap Lendület-kutatócsoport alapítására. Nagy örömmel fogadtam én is a lehetőséget az MTA gondozásában megvalósuló programra, amely a szakterületükön legtehetségesebb kutatókat karolja fel” – fogalmazott Orbulov Imre Norbert, a BME GPK Anyagtudomány és Technológia Tanszék egyetemi tanára, a kar dékánja, aki az akadémiai felhívás „Haladó” kategóriájában nyert támogatást, és „MTA-BME Lendület Nagyteljesítményű Kompozit Fémhabok Kutatócsoport” néven alapít kutatócsoportot.

Orbulov Imre Norbert és kutatótársai nagyteljesítményű kompozit fémhabok vizsgálatával foglalkoznak. Elemzik e fémhabok gyártását, átfogóan tanulmányozzák a különböző (mikro)szerkezeti, mechanikai és egyéb fizikai jellemzőket, kutatják ezen anyagok lehetséges alkalmazási lehetőségeit. „A fémhabokat eredetileg a polimer habok - mint például a közönséges mosogatószivacs - mintájára fejlesztették ki. Az alapötlet a természet másolása volt” – osztotta meg a díjazott műegyetemi szakember, aki a világhírű anyagtudós, Michael Farries Ashby gondolataival ért egyet. A Campbridge-i Egyetem professzora szerint az ember általában tömör szerkezetű, kemény és nagy szilárdságú anyagokat (például acél, beton, üveg) használ a nagy teherbírású szerkezetek építésére. Ezzel szemben az anyatermészet ugyanilyen célokra inkább a „cellás szerkezetű” anyagokhoz nyúl vissza, mint fa, csontszármazékok vagy éppen korallok. „Érdemes ezt a gyakorlatban már ’bevált’ evolúciós fejlődést is figyelembe venni a kutatási irányok meghatározásánál” – hangsúlyozta Orbulov Imre Norbert.

A műegyetemi szakember által górcső alá vett szűkebb szakterületen még kevés konkrét vizsgálati eredmény született, a kompozit fémhabok viszonylag új anyagoknak számítanak. A témában csak az 1960-as évekből származik az első tudományos publikáció. Ennek ellenére a szakterület népszerű, ígéretes jövővel és szerteágazó ipari felhasználási lehetőséggel kecsegtet. Nemzetközi berkekben is sok kutatót foglalkoztat: kiemelkedők a német, amerikai, ausztrál és kínai szakemberek.

a.) Közönséges kompozit fémhab, a sötét területek kerámia gömbhéjak metszetei, a világos terület az alumíniumötvözet mátrixanyag.

b.) Hibrid kompozit fémhab, a hibridizációt két töltőanyagtípus biztosítja (világos körök: kerámia gömbhéjak metszetei, sötét körök: vasötvözet gömbhéjak metszetei) az alumíniumötvözet mátrixban.

c.) Bimodális kompozit fémhab, a bimodalitás az azonos anyagú, de eltérő jellemző méretű töltőanyagra (sötét területek) vonatkozik.

Orbulov Imre Norbert a kutatási téma bemutatásakor elárulta, hogy a műszaki gyakorlatban a habokat elsősorban könnyű szigetelő, rezgéscsillapító vagy ütközéshárító elemekként alkalmazzák. Éppen ezért nagyon fontos a mechanikai szilárdságuk, a mechanikai energiaelnyelő-képességük, és e jellemzőknek sűrűségre vetített fajlagos értékei. A fémhabok esetében az előrelépést e tulajdonságok drasztikus növelése és az elérhető üzemelési hőmérséklet növelése jelentette. Fontos azonban azzal is tisztában lenni, hogy mára az olyan „klasszikus” módszerekkel, mint például a fémhabok anyagának ötvözése, a hőkezelés vagy a pórusméret-változtatás, elérték a fémhabok teljesítőképességének határát. A következő lépcsőfok már a szintaktikus fémhabok világa, ahol a klasszikus fémhabokkal ellentétben a pórusokat már nem levegő, hanem apró gömbhéjak töltik ki (látványra, mint egy kerámiából vagy fémből készült focilabda, jellemzően néhány száz vagy ezer mikrométeres átmérővel és tized akkora falvastagsággal). Anyaguktól és tulajdonságaiktól függően ez a töltőanyag komoly hatással van a fémhabok tulajdonságaira. A kutatók több vizsgálat alkalmával a hagyományos fémhabokhoz képest mintegy ötszörös nyomószilárdságot és tízszeres mechanikai energiaelnyelő-képességet mértek.

Kompozit fémhabból készült I-tartó, melynek szelvényeiben kompozithuzal erősítés található

„A fémhabok területén ezzel nagyjából elfogyott a lehetőségek tárháza. Szóba jöhetnek még a nagyteljesítményű kompozit fémhabok, amelyekben a hagyományosnak mondhatótól eltérő módon igyekszünk növelni a gyakorlati felhasználás szempontjából fontos fajlagos jellemzőket. Ennek érdekében a fémhabok vázát alkotó fémet kerámiaszemcsékkel, kerámiaszálakkal, esetleg szénszálakkal erősítjük, emellett megvizsgáljuk a nem gömb alakú töltőanyagok alkalmazásának kérdéskörét is. A fémhabok gyakori töltőanyagai héjszerkezeteknek, ezért fontos, hogy mélyrehatóan megismerjük és megértsük a tulajdonságaikat és a viselkedésüket még lemezek közé vagy éppen zártszelvényekbe töltve is. Fontos megoldandó kérdés még az is, hogyan valósítható meg ezen kifejlesztett fémhabok sorozatgyártása (például a gépjárműgyártásban elterjedt nyomásos öntéses eljárással), milyen feltételek mellett hegeszthetőek ezen anyagok, és hogyan alakul az újrahasznosíthatóságuk kérdésre” – szemelvényezett a vizsgálni kívánt területekről Orbulov Imre Norbert.

A lendületes kutatócsoport olyan új fémhabok és szerkezetek kifejlesztésére vállalkozott, amelyek kedvezőbb mechanikai jellemzőkkel bírnak a jelenleg elérhető változataiknál, emellett a kutatók törekednek a költséghatékonyabb, kisebb bekerülési költségre is. A technológiai fejlesztés terén még ambiciózusabb tervekkel vágnak neki a támogatási időszaknak: a nyomásos öntés technikájának implementálásával nagy reményeket fűznek a nagyteljesítményű kompozit fémhabok sorozatgyárthatóságának megvalósításához. A kötéstechnológiák területén a kompozit fémhabok anyaggal záró kötésének kérdéskörét szeretnék feltárni. Többek között olyan kérdésekkel foglalkoznak majd, hogy miként lehet-e ezeket az anyagokat hatékonyan hegeszteni, forrasztani vagy akár ragasztani. A kutatott témák egyike a kompozit fémhabok újrahasznosíthatóságának dilemmája is. Olyan vizsgálatok végrehajtását tervezik, melyekben szétválasztják az egyes komponenseket (alapfémre és üreges töltőanyagra), amelyek ebben a formában nagyobb eséllyel hasznosíthatók újra.

Az MTA-BME Lendület Nagyteljesítményű Kompozit Fémhabok Kutatócsoport 2023 szeptemberében kezdi meg működését. A szakemberek folytatják az előző, júniusban zárult támogatási ciklusban már megkezdett tudományos munkát. „Számos ponton építünk az előző időszak eredményeire. A következő öt évben új, szűkebb fókuszt jelöltünk ki a vizsgálatokhoz, emellett új területként jelent meg a kompozit fémhabok kötéstechnológiája és újrahasznosíthatósága is.”

Orbulov Imre Norbert a vizsgált téma gyakorlati alkalmazhatósága kapcsán hangsúlyozta, hogy a nagyteljesítményű fémhabok felhasználási területeinek potenciálja a jövőben felbecsülhetetlen. Szerkezeti elemekként történő alkalmazásukkal jelentős tömegcsökkentés érhető el, amely gépjárművek esetén például a CO₂ emisszió jelentős redukálásához, vagy elektromos hajtású modellek esetén nagyobb hatótávhoz vezethet. Egy másik fontos példa a védelmi ipar: a nagyteljesítményű kompozit fémhabok kiváló mechanikai energiaelnyelő-képességgel rendelkeznek, ennek megfelelően hatékony védelmet nyújthatnak elsősorban járművek és épületek, vagy egyéb katonai, illetve stratégiai szempontból fontos objektumok számára.

Orbulov Imre Norbert amellett, hogy örömét fejezte ki a most elnyert pályázattal kapcsolatban, kiemelte, hogy a kutatócsoport egyben nagyszerű inkubátora olyan nemzetközi pályázatoknak, mint a European Research Council (ERC) valamely („starting”, „consolidator”, „advanced”) pályázati kiírása. Emellett a szakmai elmélyülés lehetőségét adja a kutatóknak, alkalmat teremt az egyes szakterületek összehangolására, illetve olyan „high-risk – high-gain” pályázat megfogalmazására, amelynek potenciális nyerési eséllyel indulnak a már említett ERC felhívásokon. Zárásként fontosnak tartotta megemlíteni azt is, hogy az Anyagtudomány és Technológia Tanszék napi működésére is befolyással van a Lendület Program: „költségtervünk 5 évre teszi lehetővé a kutatócsoport finanszírozását, ám ezek a szakemberek a tudományos feladatok mellett részt vesznek a tanszéki oktatói munkában is, és eljuttatják a hallgatók számára a szakterület legújabb ismereteit. A támogatás egyben hozzásegít az értékes tanszéki munkaerő megbecsüléséhez, megtartásához, továbbá megadja az infrastrukturális fejlesztések lehetőségét is”.

TZS-KJ

Fotók: Orbulov Imre Norbert