Laboratoř plazmových technologií: nástřiky plazmatem a slinování prášků

09. 01. 2023

Laboratoř plazmových technologií, detašované pracoviště Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, se nachází v nenápadné přízemní budově v průmyslovém areálu v pražských Letňanech. Experimenty, na kterých pracují zdejší odborníci, spadají především do oblasti základního výzkumu, ale výsledky přesahují i do aplikační sféry. Využití mohou najít například i v tokamaku, kde běžné konstrukční materiály nestačí. „Podílíme se na vývoji speciálních materiálů, které odolají vysokým tlakům, teplotám a působení plazmatu uvnitř reaktoru,“ vysvětluje vedoucí laboratoře Marek Janata.

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Ve špičkově vybavených laboratořích oddělení materiálového inženýrství se odehrávají dva hlavní příběhy: plazmové stříkání a slinování prášků metodou SPS (Spark Plasma Sintering).

Slinování prášků metodou SPS začíná v místnosti, které vévodí rukavicový box. Uvnitř je inertní atmosféra plynného argonu. Reakce se vzduchem by zpracovávané prášky totiž mohla zcela znehodnotit.

V boxu se připravují vzorky pro následné zpracování v jednom ze dvou odstředivých mlýnů, kde za pomoci mlecích kuliček směs zreaguje a zhutní se. Prášek pak dále putuje ke zpracování na slinovacím lisu (SPS). Cílem je vyrobit z prášků kompaktní materiál, který má požadované vlastnosti.

„Zajímá nás, jak se bude materiál chovat za různých teplot či jaká je jeho struktura,“ vysvětluje vedoucí laboratoře Marek Janata.

Vzorek prášku se nasype do zápustky (vodivé grafitové formičky), stlačí se v lisu a poté přemístí do slinovacího stroje. Rychlé zahřátí na vysokou teplotu průchodem elektrického proudu za současného působení mechanického tlaku zajistí slinutí materiálu do požadované peletky. Výsledkem je „penízek“ velikosti pětikoruny.

Plazmové stříkání začíná rovněž práškem. „Představme si, že potřebujeme udělat odolnou povrchovou úpravu nějaké součástky. Zvolíme například keramický nástřik. Zjednodušeně řečeno – vyberu si prášek, dám ho do podavače, naprogramuji pohyby robota a pomocí plazmového hořáku prášek natavím v proudu horkého plazmatu, a tak nastříkám vrstvu zvolené keramiky na zadaný dílec,“ vysvětluje Marek Janata.

Metodou plazmových nástřiků se dají stříkat nejen prášky, ale i suspenze či roztoky. Je to modernější a pro vědce zajímavější pojetí, jež umožňuje i práci s nanomateriály.

Pro zařízení určené k plazmovému stříkání se užívá i název plazmatron. Jde o vodou stabilizovaný plazmový hořák s označením WSP-H 500, který vyvinuli přímo pracovníci v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Pečlivá příprava a kontrola plazmového hořáku před samotným stříkáním.

Nyní je již vše připraveno a zařízení se může spustit.

„Jet“ neboli plamen má přibližně 10 cm a v nitru dosahuje teploty až 25 tisíc stupňů Celsia.

Plazmový hořák s výkonem 150 kW je vhodný k nástřiku materiálů s vysokou teplotou tání – zejména oxidických keramických materiálů (jako jsou například korund či oxid zirkoničitý), silikátů (čedič, olivín aj.), případně i kovů, jako je třeba wolfram.

„Plazmově nanesené povlaky pak v praxi dodávají takto ošetřeným dílům odolnost vůči vysokým teplotám, korozi či různým druhům mechanického opotřebení,“ říká Marek Janata.

Plazmatron se obsluhuje z vedlejší místnosti, takzvaného velína.

Z výzkumu mohou vzniknout i překvapivě krásné „vedlejší produkty“ ve formě abstraktních obrazů.

Přečtěte si také

Aplikovaná fyzika

Vědecká pracoviště

Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR
Ústav fyziky materiálů AV ČR
Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Ústav přístrojové techniky AV ČR
Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR
Ústav termomechaniky AV ČR

Základní fyzikální zákony jsou v ústavech této sekce východiskem pro výzkum nových struktur a makroskopických vlastností pevných látek, tekutin a plazmatu. Studium mikrostruktury a mikroprocesů otvírá cestu k řešení problémů „materiálových věd“, jako jsou např. vlastnosti kompozitních materiálů a konstrukcí, poruchová mechanika a dynamika nebo biomechanika. Modelování prostorově vysoce strukturovaného turbulentního proudění rozličných tekutin, výzkum dynamiky kapalin a plynů biosféry či plazmových technologií jsou často výrazně aplikačně orientované. Studium vysokoteplotního plazmatu se soustřeďuje především na pulsní výkonové systémy a problémy udržení a ohřevu plazmatu v tokamaku. Bádání v oblasti aplikované fyziky má často interdisciplinární charakter a jeho výsledky také nacházejí použití v nejrůznějších oblastech vědy a techniky. Například umělá syntéza přirozené a dobře srozumitelné české řeči je důležitým úkolem v oboru zpracování číslicových signálů. Unikátní přístroje a měřící techniky byly vyvinuty pro spektroskopii a elektronovou mikroskopii živých objektů. Sekce zahrnuje 6 ústavů s přibližně 920 zaměstnanci, z nichž je asi 580 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce

Laboratoř plazmových technologií: nástřiky plazmatem a slinování prášků

Ve špičkově vybavených laboratořích oddělení materiálového inženýrství se odehrávají dva hlavní příběhy: plazmové stříkání a slinování prášků metodou SPS (Spark Plasma Sintering).

Slinování prášků metodou SPS začíná v místnosti, které vévodí rukavicový box. Uvnitř je inertní atmosféra plynného argonu. Reakce se vzduchem by zpracovávané prášky totiž mohla zcela znehodnotit.

„Zajímá nás, jak se bude materiál chovat za různých teplot či jaká je jeho struktura,“ vysvětluje vedoucí laboratoře Marek Janata.

Metodou plazmových nástřiků se dají stříkat nejen prášky, ale i suspenze či roztoky. Je to modernější a pro vědce zajímavější pojetí, jež umožňuje i práci s nanomateriály.

Pro zařízení určené k plazmovému stříkání se užívá i název plazmatron. Jde o vodou stabilizovaný plazmový hořák s označením WSP-H 500, který vyvinuli přímo pracovníci v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Pečlivá příprava a kontrola plazmového hořáku před samotným stříkáním.

Nyní je již vše připraveno a zařízení se může spustit.

„Jet“ neboli plamen má přibližně 10 cm a v nitru dosahuje teploty až 25 tisíc stupňů Celsia.

Plazmový hořák s výkonem 150 kW je vhodný k nástřiku materiálů s vysokou teplotou tání – zejména oxidických keramických materiálů (jako jsou například korund či oxid zirkoničitý), silikátů (čedič, olivín aj.), případně i kovů, jako je třeba wolfram.

„Plazmově nanesené povlaky pak v praxi dodávají takto ošetřeným dílům odolnost vůči vysokým teplotám, korozi či různým druhům mechanického opotřebení,“ říká Marek Janata.

Plazmatron se obsluhuje z vedlejší místnosti, takzvaného velína.

Z výzkumu mohou vzniknout i překvapivě krásné „vedlejší produkty“ ve formě abstraktních obrazů.

Přečtěte si také

Aplikovaná fyzika

Vědecká pracoviště

Newsletter