Naukowcy nieustannie poszukują coraz to nowszych i lepszych materiałów m.in. pod względem trwałości, efektywności czy odporności na pewne ekstremalne warunki. Wkład w rozwój wiedzy w tym obszarze – m.in. w temacie powłok – mają również badacze z Politechniki Śląskiej. Tydzień Materiałów zamyka cykl 50 Tygodni w Mieście Nauki. 

- Materiały towarzyszą człowiekowi od samego początku. Najpierw były to materiały naturalne, bo przecież wszystko, co nas otacza stworzone jest z MATERII. Używaliśmy zatem tego, czym obdarzyła nas natura. Jednak w którymś momencie zaczęliśmy uczyć się, że można te materiały przetwarzać, aby je w pewnym sensie „ulepszać” i uzyskiwać bardziej pożądane właściwości. I od tego momentu możemy zacząć mówić o inżynierii materiałowej jako o celowych działaniach – podkreśla kurator Tygodnia Materiałów dr inż. Tomasz Pawlik z Politechniki Śląskiej. 

Dodaje, że nauka ta skupia się nie tylko na badaniu istniejących materiałów czy na opracowywaniu coraz to nowszych, które mają zaspokoić apetyt na rozwój cywilizacyjny, ale uczy też, jak z nich korzystać, aby służyły ludziom w sposób racjonalny. 

– Inżynieria materiałowa szuka też odpowiedzi na pytanie, co z materiałem, kiedy się zużyje, zestarzeje, zniszczy czy po prostu przestanie być funkcjonalny. Co z niego zrobić, jak go wykorzystać, aby nie stał się zagrażającym nam odpadem. Materiały takie mogą stanowić cenne źródło surowców naturalnych, których zasoby się kiedyś skończą. A więc inżynieria materiałowa to nauka o materiałach i zjawiskach w nich zachodzących. Aby dobrze je poznać i dogłębnie zrozumieć potrzebujemy korelacji wiedzy na temat materiałów z zakresu chemii, fizyki, mechaniki i dziedzin pokrewnych – opowiada naukowiec z Katedry Technologii Materiałowych na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej. 

Pokryć i uszczelnić 

Jedną z dróg w dziedzinie nowoczesnych materiałów są badania nad powłokami odpornymi na wysokie temperatury, do zastosowania np. w elementach turbin silników lotniczych.

Jak tłumaczy dr hab. inż. Bogusław Mendala, prof. PŚ z Katedry Technologii Materiałowych na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej, nowoczesne materiały stosowane na elementy konstrukcyjne pracujące w „strefie gorącej” silników lotniczych muszą charakteryzować się wysoką żaroodpornością, dlatego najczęściej wykonuje się je z nadstopów niklu. 

– Jak we wszystkich silnikach cieplnych, wydajność silnika lotniczego jest zależna od temperatury gazów na wylocie – im wyższa temperatura, tym więcej energii uzyskano z paliwa. W związku z tym części turbin mogą nagrzewać się do temperatury przekraczającej 1100o C. Najgorętszą sekcją turbiny jest strefa przepływu gazu - spalin, w której ulokowane są łopatki robocze i kierujące, bezpośrednio narażone na zmęczenie termiczne, utlenianie i korozję wysokotemperaturową. W celu zwiększenia odporności na utlenianie tych materiałów stosuje się warstwy lub specjalne powłoki ochronne. Warstwy ochronne są odpowiedzialne za zwiększenie odporności na działanie środowiska pracy łopatek, np. korozję wysokotemperaturową – wyjaśnia. 

Naukowcy potencjał widzą w materiałach typu MAX. – To nowa grupa materiałów, które wypełniają lukę między materiałami ceramicznymi a metalami. Są one odporne na szoki termiczne, utlenianie i korozję, charakteryzują się dużą wytrzymałością na zmęczenie i pełzanie. Z tego powodu mogą mieć zastosowanie w środowiskach o wysokiej temperaturze jako wspomniane powłoki ochronne na elementy turbin stacjonarnych i lotniczych – wskazuje dr hab. inż. Bogusław Mendala, prof. PŚ. 

Badania są prowadzone w ramach projektu pt. „Wykorzystanie powłok nanolaminatowych do zastosowań w wysokiej temperaturze”, finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. W projekcie biorą udział partnerzy z Polski i Niemiec. 

Zatrzymać ciepło 

Innymi nowoczesnymi powłokami, nad którymi pracuję badacze z Politechniki Śląskiej są powłokowe bariery cieplne do ekologicznych zastosowań związanych z przetwarzaniem ciepła w energię. 

Tutaj również chodzi o powłoki przeznaczone dla turbin silników lotniczych – jednak tym razem w kontekście zrozumienia ograniczeń w warunkach spalania wodoru i perspektywy zrównoważonego rozwoju. 

- Ich zastosowanie w warunkach podwyższonych stężeń pary wodnej, właściwych dla stosowania paliw wodorowych, pozwoli na podniesienie temperatury pracy, a co za tym idzie, sprawności turbin silników lotniczych. Jednocześnie zmniejszy się zużycie paliwa przez samoloty nowej generacji i bezpośrednio przyczyni się do zmniejszenia emisji CO2 do środowiska, zaspokajając tym samym światowe potrzeby budowania neutralności klimatycznej – podkreśla dr hab. inż. Bogusław Mendala, prof. PŚ. 

Te badania są prowadzone w ramach międzynarodowego projektu o akronimie TBC4H2, realizowanego w ramach programu M-ERA.NET Call 2024 – w Polsce finansowego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. 

Autorka: Agnieszka Kliks-Pudlik

Pełny program Tygodnia Materiałów można obejrzeć na stronie wydarzenia.