Przejdź do treści Przejdź do stopki
Aktualności

Aktualności

Szklana zlewka, która zawiera płynny, przezroczysty materiał powłokowy, używany podczas nanoszenia techniką dip-coatingu. Naczynie znajduje się na parapecie, za którym widoczne są budynki na terenie uczelnianego kampusu.

Materiał powłokowy używany w trakcie nanoszenia techniką dip-coatingu. Fot. Katedra Chemii Krzemianów i Związków Wielocząsteczkowych

Czarne szkła jako rozwiązanie problemu korozji wysokotemperaturowej

Każdy z nas niemalże codziennie spotyka się ze zjawiskiem korozji, czyli stopniowym procesem degradacji materiałów na skutek ich oddziaływania ze środowiskiem pracy na sposób elektrochemiczny lub chemiczny. Przykładem pierwszego z nich jest powszechnie znane zjawisko rdzewienia metalicznych elementów, zachodzące wskutek przepływu ładunków elektrycznych między niszczonym tworzywem a elektrolitem, który zawiera agresywne jony – np. Cl- lub OH-. Przykładem zjawiska drugiego rodzaju, gdzie podstawą procesu jest reakcja chemiczna bez przepływu ładunku elektrycznego, jest z kolei korozja wysokotemperaturowa, czyli degradacja materiałów metalicznych pod wpływem oddziaływania ich powierzchni z gorącymi (powyżej 400÷500 °C) składnikami gazowego środowiska pracy. Poszukiwaniem rozwiązania problemu korozji wysokotemperaturowej zajmuje się dr inż. Maciej Bik, pracujący w zespole badawczym prof. dr. hab. inż. Macieja Sitarza z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, który w ramach grantu uczelnianego optymalizuje proces otrzymywania powłok ochronnych na bazie tzw. czarnych szkieł.

Cały czas zbyt gorąco…

Problem korozji wysokotemperaturowej pojawia się w wielu gałęziach gospodarki, ponieważ podwyższona temperatura jest często gwarantem wzrostu wydajności zachodzących procesów – np. wyższa temperatura spalania paliwa w silnikach lotniczych gwarantuje wyższą wydajność tego procesu, co niestety pociąga za sobą wysoką temperaturę środowiska gazowego wielu pozostałych metalicznych elementów. Problem ten dotyczy również przemysłu energetycznego i bardzo ciekawej, niskoemisyjnej technologii stałotlenkowych ogniw paliwowych SOFC (z ang. Solid Oxide Fuel Cells), których wysoka temperatura pracy (na ten moment ok. 800°C) wynika z konieczności zapewnienia odpowiedniego poziomu przewodnictwa jonowego elektrolitu wykonanego z YSZ (z ang. Yttria Stabilised Zirconia) – tlenku cyrkonu ZrO2 stabilizowanego tlenkiem itru Y2O3. Niestety, tak wysokie temperatury pociągają za sobą przyspieszoną degradację poszczególnych elementów ogniwa, przy czym korozja wysokotemperaturowa tzw. interkonektorów – elementów stanowiących „szkielet” ogniwa, umożliwiających łączenie pojedynczych komórek w większe stosy – pozostaje jednym z najbardziej palących problemów technologii ogniw SOFC.

Czarne szkła na ratunek

Jednym ze sposobów przeciwdziałania wyżej opisanym problemom jest zastosowanie powłok ochronnych. W przypadku interkonektorów w ogniwach SOFC, zadanie to jest dodatkowo utrudnione ze względu na rygorystyczne wymagania materiałowe stawiane potencjalnym materiałom na interkonektory (a więc także powłokom), obejmujące nie tylko odporność na utlenianie w wysokich temperaturach, ale także wysoki poziom przewodnictwa elektrycznego. I to właśnie w grupie badawczej prof. Sitarza narodziła się nowatorska idea wykorzystania potencjału, jaki drzemie w tytułowych czarnych szkłach, do rozwiązania postawionego problemu badawczego. Czarnymi szkłami określane są materiały o strukturze amorficznej krzemionki, należące do tzw. ceramiki pochodzenia polimerowego, PDC (ang. Polymer Derived Ceramics). Kluczem do ich sukcesu jest możliwość „zaprojektowania” ich właściwości pod konkretne zastosowania. Wynika to z faktu, iż proces wytwarzania czarnych szkieł można kontrolować na każdym etapie ich powstawania, rozpoczynając od wyboru prekursorów, przez dowolność formy (np. powłoki), sposób otrzymywania, a kończąc na parametrach obróbki termicznej.


Plan eksperymentalny przeprowadzonej optymalizacji otrzymywania powłok na bazie czarnych szkieł. Fot. Katedra Chemii Krzemianów i Związków Wielocząsteczkowych

Ach ten węgiel…

Kluczowym pierwiastkiem determinującym ciekawe własności czarnych szkieł jest węgiel, który może w nich występować pod dwoma postaciami. Pierwszą z nich są atomy węgla związane z atomami krzemu poprzez silne, kowalencyjne wiązania Si-C, które przyczyniają się do wysokiej odporności termomechanicznej materiału. Drugą postacią jest tzw. faza wolnego węgla (ang. free carbon), która pojawia się w momencie przekroczenia progowej zawartości węgla w więźbie szkła. Faza ta odpowiada za przewodnictwo elektryczne i czarny kolor materiału. W ciągu dziewięciu lat prac badawczych prowadzonych przez dra inż. Macieja Bika w ramach prac dyplomowych, licznych projektów badawczych, a także niniejszego grantu uczelnianego (realizowanego w trakcie ostatniej fazy przewodu doktorskiego), dzięki ogromnemu nakładowi pracy możliwe stało się znalezienie optymalnego kompromisu pomiędzy wpływem obu tych faz, jak również opracowanie procesu otrzymywania szczelnych i jednorodnych powłok na bazie czarnych szkieł z układów oksywęglika krzemu „czystego” (SiOC) oraz modyfikowanego kationami glinu (SiAlOC). W toku wysokotemperaturowych badań (800°C) próbek stali przeznaczonej na interkonektory, zmodyfikowanej przy wykorzystaniu powłok na bazie czarnych szkieł, uzyskano obiecujące rezultaty w postaci zahamowania niekontrolowanych procesów dyfuzyjnych, co przełożyło się na znaczące obniżenie tempa degradacji materiału, przy zachowaniu satysfakcjonującego poziomu przewodnictwa elektrycznego. Na uwagę zasługuje fakt, że było to pierwsze takie podejście na świecie, gdzie wykorzystano powłoki na bazie oksywęglika krzemu na interkonektory, cechujące się zupełnie odmiennym mechanizmem pracy od tego opisywanego w literaturze dla najczęściej stosowanych warstw na bazie związków o strukturze spineli czy perowskitów.




Innowacyjne wykorzystanie obrazowania ramanowskiego do badania czarnych szkieł oraz składu fazowego produktów korozji wysokotemperaturowej. Fot. Katedra Chemii Krzemianów i Związków Wielocząsteczkowych

Nie tylko interkonektory

Jedną z największych zalet opracowanego materiału powłokowego jest możliwość jego zastosowania nie tylko na różne podłoża metaliczne (stale ferrytyczne, stopy międzymetaliczne), ale także możliwość pracy w różnych atmosferach (utleniającej, redukującej) z tak samo pozytywnym efektem blokowania niekontrolowanych procesów dyfuzyjnych. W trakcie realizacji grantu uczelnianego, w ramach współpracy naukowej z Instytutem Badawczych DECHEMA we Frankfurcie, powstała już pierwsza wspólna publikacja (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151826), w której powłoki z czarnych szkieł z dużym sukcesem zastosowano na stali ferrytycznej przeznaczonej na interkonektory (800°C; powietrze), a na ukończeniu są dwie kolejne, gdzie równie efektywnie użyto ich na podłożu ze stopu TiAl przeznaczonego na niskociśnieniowe łopatki turbin silnika lotniczego (750°C; powietrze oraz powietrze z udziałem pary wodnej), a także czystego chromu (950 i 1050°C; powietrze).

Przeprowadzone badania zostały sfinansowane przez MEiN ze środków budżetowych na naukę w latach 2017–2021, jako projekt badawczy w ramach programu „Diamentowy Grant” nr DI2016 004046 oraz przez UE w ramach projektu POWR.03.02.00-00-I004/16, a dr inż. Maciej Bik korzystał także ze wsparcia finansowego Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej (FNP) w ramach stypendium START i stypendium wyjazdowego START oraz uzyskał środki finansowe w ramach finansowania stypendium doktorskiego z Narodowego Centrum Nauki w ramach programu ETIUDA 8 (nr 2020/36/T/ST5/00073).

Projekt Innowacyjne powłoki ochronno-przewodzące na bazie oksywęglika krzemu sfinansowany został z grantu uczelnianego (konkurs System grantów uczelnianych na prace badawcze realizowane z udziałem doktorantów – Działanie 4), w ramach projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”.

Stopka