Czy elementy wykonane z ceramiki mogą być twardsze i bardziej wytrzymałe na ścieranie niż najlepsze stopy metali? Wbrew pierwszym skojarzeniom, odpowiedź brzmi: tak.
Zaawansowana ceramika konstrukcyjna ma tyle właściwości, że wciąż inspiruje badaczy do poszukiwania kolejnych jej zastosowań. Zyskuje na tym przemysł i zatrudnieni w nim ludzie. Słowo „ceramika” pochodzi z języka greckiego i oznacza wyroby z wypalanej gliny, takie jak porcelana, fajans, terakota czy gres. Kojarzy się więc z pięknem, estetyką i użytecznością. Jednak tzw. ceramika techniczna, o różnorodnych zastosowaniach w przemyśle, z pierwotną definicją ma już niewiele wspólnego. Powstaje z naturalnych surowców za pomocą skomplikowanych procesów chemicznych i fizycznych, a wiele jej rodzajów zaskakuje ponadprzeciętnymi właściwościami.
Wiedza stosowana w praktyce
Ogromne doświadczenie w projektowaniu i wytwarzaniu wyrobów ceramicznych ma Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL w Boguchwale. Działa on od 1972 r., kiedy to z biura konstrukcyjnego Zakładów Porcelany Elektrotechnicznej ZAPEL wydzielony został Ośrodek Badawczo-Rozwojowy. Przez lata opracowywano tu technologie oraz projektowano maszyny i urządzenia dla zakładów zajmujących się produkcją wyrobów z porcelany elektrotechnicznej. Podczas transformacji ustrojowej drastycznie spadły zamówienia – w konsekwencji firma, by przetrwać trudne czasy, musiała poszerzyć swoją ofertę o zaawansowane tworzywa ceramiczne bazujące na tlenku glinu oraz dwutlenku cyrkonu. Pierwsze produkty to m.in. precyzyjnie obrabiane ceramiczne elementy pomp wykorzystywanych w przemyśle wydobywczym, energetycznym, samochodowym i chemicznym, ceramiczne elementy zaworów pracujących w warunkach korozji chemicznej, ścierania czy w wysokiej temperaturze, a także osłony stosowane w czujnikach.
W 1993 r. CEREL stał się częścią Instytutu Energetyki w Warszawie jako samofinansujący się oddział zamiejscowy. – Jesteśmy jednocześnie instytutem badawczym i małą fabryką, której specjalnością jest zaawansowana ceramika techniczna – mówi dyrektor dr inż. Marek Grabowy. Część pracowników jest zatrudniona w dziale badawczo-rozwojowym, reszta w części zajmującej się wytwarzaniem prototypów. Taki podział umożliwia szybkie wdrażanie nowych rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych opracowanych przez zespół konstruktorów i ceramików.
Realizacja szeregu projektów badawczych pozwoliła na uruchomienie laboratoriów. – Dzięki gromadzonym przez lata urządzeniom do produkcji tworzyw ceramicznych potrafimy zaprojektować i wytworzyć krótkie, prototypowe serie części maszyn i urządzeń, jak również kompletne specjalistyczne urządzenia stosowane w energetyce, ochronie środowiska, przemyśle lotniczym, chemicznym, farmaceutycznym, zbrojeniowym czy spożywczym – wyjaśnia dyrektor Marek Grabowy.
Zatrudnieni tu specjaliści pracują nie tylko na zamówienie uczelni czy instytutów (współpracują m.in. z Polską Akademią Nauk, Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie, Uniwersytetem Jagiellońskim, politechnikami: Warszawską, Wrocławską i Rzeszowską, oraz uczelniami w Magdeburgu, Paryżu, Lille, Metz), ale też na rzecz przemysłu. Obecnie około 25% obrotów jednostki pochodzi ze współpracy z przemysłem lotniczym, w tym z firmami z podkarpackiej Doliny Lotniczej. CEREL prowadzi z nimi wspólne projekty badawczo-rozwojowe, których celem jest opracowanie i wdrożenie nowych produktów. Wytwarza również specjalistyczne elementy z zaawansowanej ceramiki ogniotrwałej, które są stosowane w odlewaniu precyzyjnym części silników lotniczych.
– W naszej ofercie znajduje się kilka tysięcy elementów ceramicznych, stosowanych w prawie wszystkich gałęziach przemysłu. Są one dostarczane do około 700 krajowych i zagranicznych odbiorców – dodaje dr Grabowy. Stosowanie nowoczesnych technologii oraz zaawansowanych tworzyw ceramicznych skutkuje wzrostem eksportu zarówno unikalnych wyrobów, jak i usług badawczych do Hiszpanii, Szwecji, Niemiec, Indii, Węgier czy Anglii.
Bardziej wytrzymała niż stopy metali
Wraz z rozwojem technologicznym rosną wymagania stawiane zarówno urządzeniom specjalnego użytku, jak i seryjnie produkowanym wyrobom. Metale i ich stopy osiągają już limity swoich możliwości, dlatego coraz częściej zastępuje je zaawansowana ceramika konstrukcyjna. – Najważniejsze jej cechy to odporność na ścieranie, korozję chemiczną, wysokie temperatury (nawet powyżej 2500°C), ponadprzeciętna twardość i doskonałe właściwości mechaniczne – tłumaczy dyrektor Grabowy.
Wyobrażenie o trwałości elementów ceramicznych daje np. nurnik do pompy używanej w górnictwie – metalowy wytrzymuje 3 miesiące, a ceramiczny do 3 lat. – To niezwykle ważne, bo wodę ze szlamem w kopalni trzeba pompować całą dobę, a naprawa pod ziemią byłaby znacznie większym problem niż na powierzchni – wyjaśnia dr Grabowy.
Elementy ceramiczne coraz częściej trafiają do urządzeń produkujących soki czy przetwarzających mleko. Przemysł spożywczy docenia ich odporność korozyjną na działanie kwasów i zasad. – Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe „szyjemy na miarę”. Najpierw opracowujemy odpowiedni materiał i badamy go w warunkach zbliżonych do warunków pracy. Następnie przygotowujemy technologię wykonania odpowiednich elementów. Dysponujemy niemal wszystkimi metodami formowania ceramiki dostępnymi na świecie oraz metodami jej obróbki zarówno w stanie surowym, jak i po spieczeniu – mówi dr Grabowy.
Ze względu na twardość i odporność ceramiki na ścieranie uzyskanie dokładności wymiarowej liczonej w mikronach jest nie lada wyzwaniem. Dlatego do obróbki najczęściej wykorzystuje się ściernice z nasypem diamentowym. Dobrym przykładem jest wielootworowa dysza z wałkiem o złożonym kształcie geometrycznym służąca do dozowania składników leków. Jej długość to prawie pół metra, a dokładność wymiarowa 5 mikronów.
Wśród opracowanych przez CEREL rozwiązań są także wyłożenia trudnościeralne linii do transportu gorących popiołów w elektrowni. – Rurociąg, którym transportowane są tony popiołów rozgrzanych do temperatury około 800-900°C, musi być niezwykle odporny na ścieranie i temperaturę. Stalowe kolano rurociągu wytrzymuje około 3 miesięcy, a ceramiczne od 2 do 3 lat – podkreśla Marek Grabowy.
W ubiegłym roku Instytut zdobył tytuł „Innowatora Podkarpacia 2019” w konkursie organizowanym przez Rzeszowską Agencję Rozwoju Regionalnego. Nagrodę przyznano w kategorii „małe przedsiębiorstwo” za kompozyty na bazie dwutlenku cyrkonu o ekstremalnie wysokiej odporności na kruche pękanie i korozję hydrotermalną. – W oparciu o ten zaawansowany materiał konstrukcyjny wytwarzane są części maszyn i urządzeń oraz elementów w liniach produkcyjnych w przemyśle samochodowym, lotniczym, energetycznym, metalurgicznym, wydobywczym i chemicznym – wyjaśnia dyrektor Grabowy. Wszędzie tam, gdzie jest potrzebna ekstremalnie duża odporność na ścieranie i precyzyjne wymiary. – Opracowana przez nas technologia jest unikalna w skali świata. Podobny materiał ma tylko jedna firma na świecie. Myśmy jednak poszli w swoich badaniach dużo dalej. Dzięki temu wchodzimy do światowej superligi producentów ceramiki technicznej – podkreśla Marek Grabowy. Nowy materiał powstał w ramach projektu współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, którego celem jest budowa całej grupy materiałów pokrewnych.
Ogniwa wizytówką firmy
Jedną z najszybciej rozwijających się branż jest energetyka odnawialna. CEREL od lat prowadzi badania nad opracowaniem i optymalizacją technologii wytwarzania wysokotemperaturowych stałotlenkowych ogniw paliwowych, umożliwiających wykorzystanie paliw gazowych, takich jak wodór czy gaz ziemny. Instytut należy do nielicznych w Europie instytucji, które potrafią wytwarzać takie ogniwa. Powstają one w procesie spiekania odpowiednich sproszkowanych materiałów ceramicznych. Ogniwo składa się z kilkunastu warstw, a każda z nich pełni inną funkcję. – Tak naprawdę jest to urządzenie przetwarzające energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Z jednej strony dostarczany jest wodór, a z drugiej tlen. W kontrolowanych warunkach w ogniwie można utleniać wodór, produkując prąd i ciepło. Ale ogniwo może działać też w odwrotnym kierunku, jako elektrolizer – gdy dostarczymy prąd i wodę, możemy wytworzyć wodór lub tlen – wyjaśnia dyrektor Grabowy.
Specjaliści w Boguchwale pracują nad technologią produkcji pojedynczego ogniwa. Natomiast w Oddziale Wysokotemperaturowych Procesów Elektrochemicznych w Warszawie osobny zespół zajmuje się składaniem tych ogniw w stosy, które mogą wytworzyć od kilku do kilkudziesięciu kW. – Ogniwa mają być dopełnieniem już istniejących urządzeń związanych z energią odnawialną. Obecnie ogniwa fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe produkują energię, gdy wieje wiatr lub świeci słońce, a nie wtedy, kiedy jest największe na nią zapotrzebowanie. Nasze ogniwa będą służyły magazynowaniu, a potem odzyskiwaniu energii – podkreśla dyrektor.
Efektem prac nad odmienną, niskotemperaturową wersją ogniw jest m.in. cichy i praktycznie niewidzialny dla detektorów podczerwieni dron zasilany wodorem. Ten bezzałogowy aparat latający powstał w ramach projektu badawczo-rozwojowego „Napędy małej mocy do zasilania bezzałogowych aparatów latających”, którego koordynatorem był Instytut w Boguchwale. We współpracy z krakowską AGH, Politechniką Rzeszowską oraz Lotniczymi Zakładami Produkcyjno-Naprawczymi „Aero-Kros” w Krośnie zbudowano prototyp urządzenia i odbyły się już loty testowe.
Szansa na dalszy rozwój
Ogromna wiedza jest inspiracją do dalszych poszukiwań, stąd pomysł na stworzenie kolejnych laboratoriów. CEREL, dzięki dotacji otrzymanej z działania 1.1 Wsparcie infrastruktury B+R jednostek naukowych RPO WP, zamierza w ciągu 3 lat uruchomić Lotnicze Centrum Wdrożeń Ogniw Paliwowych oraz Nowoczesnych Ceramicznych Materiałów Konstrukcyjnych. Powstanie nowoczesny, energooszczędny budynek wyposażony w najnowocześniejszy sprzęt (m.in. jedyny w Polsce piec z kontrolowaną atmosferą, który działa w temperaturze do 2000°C i ciśnieniu gazów reakcyjnych do spiekania materiałów azotkowych).
Nowoczesny sprzęt i unikalne urządzenia pozwolą na rozwój badań i prace nad nowymi materiałami. To z kolei znacznie poszerzy ofertę badawczą Instytutu. Planów badawczych jest wiele, mają dotyczyć m.in. powłok ochronnych stosowanych w przemyśle energetycznym, lotniczym i samochodowym czy nowej generacji tworzyw elektroizolacyjnych formowanych z ceramicznych mas plastycznych. Instytut chce zająć się również rozwojem technologii nowych ceramicznych materiałów konstrukcyjnych opartych o azotek krzemu, stosowanych w przemyśle lotniczym, samochodowym i odlewniczym. Będą też prowadzone badania ukierunkowane na otrzymanie zaawansowanej ceramiki konstrukcyjnej z nowej generacji kompozytów ziarnistych na bazie korundu i dwutlenku cyrkonu. Koszt tego przedsięwzięcia to ponad 11 mln zł, w tym dofinansowanie z RPO WP to niemal 6,8 mln zł.
Barbara Kozłowska
Sprawdź co w najnowszym wydaniu
Pobierz wersję PDFFundusze Europejskie są atrakcyjne
W ciągu 20 lat uczestnictwa w polityce spójności znacząco uprościliśmy i uatrakcyjniliśmy komunikację w obszarze funduszy unijnych.
Mistrzostwa emocji
Konkursy na najlepsze projekty współfinansowane z funduszy UE to skuteczne narzędzie promocji dobrych praktyk. Przyczyniają się do pozytywnego postrzegania wsparcia z Unii Europejskiej.
Efekty są imponujące
8 grudnia podczas uroczystej gali, która odbyła się w sali audytoryjnej Urzędu Marszałkowskiego Województwa Podkarpackiego, doceniliśmy laureatów III edycji konkursu „Podkarpackie. Mistrzowskie zmiany”.