Výskumné oblasti

Charakteristika divízie

Divízia sa zaoberá materiálmi so špecifickými fyzikálnymi, mechanickými, biologickými a chemickými vlastnosťami charakteristickými pre funkčné a multifunkčné materiály. Materiálovou bázou sú hybridné materiály rôznej chemickej podstaty, polyméry a ich zmesi, polymérno-anorganické kompozity, kovopolymérne materiály, kovokeramické materiály. Výskumné úlohy sú zamerané na štúdium syntézy a komplexné hodnotenie anorganických fáz a hybridných kompozitov s rôznou fyzikálno-chemickou podstatou, pričom určujúcim cieľom výskumu je finálna aplikácia s konkrétnymi elektrofyzikálnymi, elektrochemickými, biomateriálovými, magnetickými a mechanickými vlastnosťami. Orientácia vedeckých výstupov je zameraná na analýzu vzťahov medzi chemickým zložením, fázovým zložením, štruktúrou a vlastnosťami pripravených materiálov ako aj na skúmanie dejov ovplyvňujúcich uvedené vzťahy. Výskum a vývoj je orientovaný hlavne na rozvoj poznania v oblasti prípravy tenkých elektrokeramických vrstiev, biomateriálov určených pre využitie v rekonštrukčnej a regeneratívnej medicíne, biomateriálov na diagnostické účely, multifunkčných materiálov, magneticky mäkkých kompozitov, multisenzorických materiálov, vysokopevných spekaných konštrukčných materiálov a kompozitov.

 

 

Komponant 2023: Vplyv prídavku medu na vlastnosti kalcium fosfátových biocementov – výsledky in vitro testovania

Biodegragovateľné spekané kovové materiály pre dočasné implantáty

 Systémy:

• na báze železa: Fe, Fe-P, Fe-Mn, Fe-Ag, Fe-Mg, Fe-polovodivé oxidy kovov.
• na báze horčíka: Mg, Mg-Zn, Mg-ZnO, Mg-Ca-Zn-ZnO.

Štruktúry:

• kompaktná: vzorky pripravené lisovaním a spekaním plných práškových častíc
• celulárna: vzorky pripravené lisovaním a spekaním dutých práškových častíc
• penová: vzorky pripravené replikačnou metódou použitím polymérnych penových prekurzorov

Typy povrchu:

• holý kovový povrch: vzorky bez povrchovej úpravy
• povrch čiastočne či úplne pokrytý nekovovým povlakom: vzorky s ostrovčekmi či povlakmi biokeramiky/biopolyméru deponovanými na kovový povrch.

Vlastnosti:

• mechanické vlastnosti: Youngov modul pružnosti, pevnosť v ohybe a tlaku, hustota, tvrdosť a ich zmeny v dôsledku korózie
• korózne vlastnosti: charakter korózie, korózny potenciál, korózna rýchlosť
• biokompatibilita: hemokompatibilita, cytotoxicita

 

 

 

 

 

 

 

 

Príprava, charakterizácia a aplikácia kompaktovaných magneticky mäkkých kompozitov

 Magneticky mäkké kompozity pripravené z práškových feromagnetických častíc izolovaných tenkou vrstvou dielektrického materiálu sú v dnešnej dobe vyhľadávané za účelom výroby trojrozmerných (miniaturizovaných) elektromagnetických súčiastok, ktoré si vyžadujú vysoké frekvencie v striedavom magnetickom poli je rozhodujúcim parametrom príprava homogénneho a vysoko adhézneho povlaku, ktorý bude zabezpečovať vysoké hodnoty špecifického elektrického odporu a permeability.

• Primárnou zložkou kompozitov sú feromagnetické kovy Fe, Co, Ni a ich zliatiny. Sekundárna elektroizolačná zložka je distribuovaná v podobe tenkej vrstvy na povrchu feromagnetických práškových častíc. Lisovaním a tepelnou úpravou sa vytvára mikroštruktúra kontinuálneho elektroizolačného sieťovia vo feromagnetickej matrici. Hlavnou myšlienkou je minimalizácia vzniku vírivých prúdov v striedavom magnetickom s vyššou ako industriálnou frekvenciou.
• Kompozity pozostávajú z navzájom elektricky izolovaných magnetických častíc, ponúkajú relatívne nízke energetické straty v oblasti stredne vysokých a vyšších magnetizačných frekvencií vďaka nízkym stratám vírivými prúdmi (izolačná vrstva medzi jednotlivými magnetickými časticami zabezpečuje minimálne cesty pre vírivé prúdy), relatívne vysokú magnetickú indukciu nasýtenia, izotropné správanie fyzikálnych vlastností a široké možnosti pre výrobu 3D komponentov technológiami práškovej metalurgie
• Aplikácie kompaktovaných magneticky mäkkých kompozitov sú v oblasti vývoja vysokofrekvenčných viacpólových elektrických motorov, vysokofrekvenčných induktorov, elektromagnetického tienenia a pod.

Zameranie na tri typy povlakov: organické, anorganické a hybridné

Organické povlaky sú syntetizované na báze fenol formaldehydových živíc, anorganické povlaky predstavujú ferity so spinelovou štruktúrou a hybridné pozostávajú z kombinácie predošlých dvoch typov vo vhodnom pomere.

 

Príprava práškových materiálov

• Práškové kovové, nekovové, kompozitné a hybridné materiály určené na spracovanie kompaktovaním, alebo na použitie v práškovej forme.
• Mechanické metódy legovania, úpravy veľkosti a tvaru častíc, mechanosyntéza, povlakovanie práškových častíc, homogenizácia práškových zmesí.
• Deaglomaerácia a homogenizácia práškových a kvapalných zmesí rezonančným akustickým miešaním, ultrazvukovým homogenizátorom.

 

Charakterizácia práškových materiálov

• Hustota práškových, kvapalných a kompaktovaných materiálov metódou viacnásobného váženia (Archimedova metóda) a héliovou pyknometriou.
• Veľkostná distribúcia práškových častíc laserovou difrakčnou metódou a metódou monitoringu sitovaním práškových materiálov.
• Kvalitatívna a kvantitatívna analýza tvaru a povrchovej morfológie práškových častíc metódami optickej a elektrónovej mikroskopie.
• Analýza lisovateľnosti práškových materiálov, lisovacie krivky práškových materiálov a zmesí.
• Analýza spekateľnosti práškových materiálov, kinetika spekania.

Progresívne metódy kompaktizácie práškových materiálov

• Jednoosové lisovanie za studena a za tepla.
• Spekanie fokusovaným a rozptýleným mikrovlnným žiarením alebo tradičným ohrevom.
• Tepelné spracovanie práškových a kompaktovaných materiálov mikrovlnným ohrevom.
• Výskum a vývoj progresívnych metód kompaktovania práškových materiálov – vákuové spekanie, izostatické lisovanie, spekanie plazmovým výbojom, mikrovlnné spekanie, depozícia práškov, aditívna výroba.

Uhlíkové vlákna s inkorporovanými časticami kovov a fosfidov kovov pre elektrokatalytické vylučovanie vodíka

• Ekonomické a zdravotné dopady využívania fosílnych palív ako primárneho zdroja energie vedie k výskumu a zavedeniu trvalo udržateľných zdrojov energie bez významných emisií a environmen-tálnych problémov. Jednou z možných foriem získania energie je VODÍK.
• Elektrolýza vody je najsľubnejšou technológiou pre výrobu vodíka.
• Výskum je zameraný na prípravu modifikovaných uhlíkových katalyzátorov pre elektrolytické vylučovanie vodíka.
• Vlákna sú vyrábané technológiou zvlákňovania z voľnej hladiny.

Procesy degradácie nano/multi kompozitných povlakov v tavenine zlievarenských zliatin hliníka

• Aplikácia PVD nano/multi kompozitných vrstiev duplex technológiou (PVD + plazmová nitridácia) na materiál z ocele pre prácu za tepla (formy a ich súčasti pre tlakové liatie hliníka).
• Nano/multivrstvy tvoria efektívnu bariéru proti šíreniu trhlín a porúch do exponovaných častí materiálu.
• Vytvárenie efektívnej ochrannej bariéry materiálov/súčiastok pri testovaní v prostredí taveniny Al-Si.

  Laserová povrchová úprava nástrojovej ocele

• Aplikovanie laserovej povrchovej úpravy spevňuje povrch materiálov/nástrojov bez straty vnútornej húževnatosti.
• Zlepšenie povrchových a adhéznych vlastností.
• Vytvorenie zjemnenej tvrdej martenziticko-karbidickej štruktúry pod povrchom v závislosti od výkonu lasera.
• Zlepšenie životnosti nástrojových ocelí.
• Zdokonalenie komponent s idealizovanými povrchmi vo väčšine strojníckych aplikáciách.

Materiály na báze lantanoidov

• Vývoj nových metodík v oblasti základného výskumu elektrokeramických materiálov, ich prípravy a charakterizácie.
• Modifikácia sol-gel procesov nanoprekurzorov, rozvoj poznania v oblasti prípravy tenkých vrstiev a filmov na báze prvkov lantanoidov ako aj vývoj experimentálnych metodík na skúmanie ich fázového zloženia, mikroštruktúry, fyzikálnych a mechanických vlastností.
• Polymorfné práškové LnNbO4 a LnTaO4 prekurzory na báze lantanoidov (Ln = Nd, Sm, Eu a Gd).
• Fázové transformácie: fluoritová fáza (pri 800 a 900°C), ortorombická príp. tetragonálna LnNbO4 (pri 900°C), hexagonálna príp. kubická fáza (pri 1000°C), monoklinická M-LnNbO4 (pri 1000°C) a M‘-LnTaO4(pri 1100°C).
• Transparetné tenké filmy (s hrúbkou ~100 nm) pripravené technológia sol-gel/spin coating zo zodpovedajúcich roztokov sólov na báze lantanoidov nanesením na Al2O3a Si/SiO2 substráty.
• Použitie ako tuhé elektrolyty pre tenkovrstvové palivové články a senzory.

 

Sol-gel/spin-coating metóda prípravy tenkých filmov

• Syntéza LnNbO4 a LnTaO4 sólov a zohľadnenie použitia vhodnej koncentrácie Nb a Ta na aplikovanú nami modifikovanú Pechini metódu využívajúcu polymérny Nb- a Ta-vínny komplex namiesto klasickej citrátovej metódy.
• Sol-gel proces umožňuje kontrolu stechiometrie, zlepšenie homogenity a zníženie teploty žíhania materiálov oproti konvenčnej keramickej metóde miešaním oxidov.
• Príprava tenkých filmov zo zodpovedajúcich roztokov sólov na báze lantanoidov nanesením na Al2O3a Si/SiO2 substráty metódou spin-coating.
• Tenké filmy majú rôzne polymorfné štruktúry a mechanické vlastnosti.
• Zameriavame sa najmä na prípravu perovskitových a pyrochlórových niobičnanových a tantaličnanových tenkých filmov a určenie fázového zloženia, vyvinuli sme a modifikovali niekoľko metodík sol-gel syntézy Pb(Zr0.52Ti0.48)O3, KNbO3, NaNbO3, K0.5Na0.5NbO3, La0.33NbO3, La0.33TaO3, La0.5Nb0.5TaO3 dopované Eu a LnNbO4 a LnTaO4, časť výskumu je zameraná aj na syntézu nových prekurzorov tenkých filmov.

 

Feroelektrické a multiferoické materiály

• Elektricky a magneticky aktívne materiály s hysteréznou odozvou na vonkajšie polia (elektrické, magnetické, mechanické).

• Použitie ako senzory, aktuátory, akcelerometre, meniče, pamäte RAM, uskladnenie a konverzia elektrickej energie.

 

• Zameranie na perovskitové oxidy typu Pb(Zr,Ti)O₃, BaTiO₃, Pb(Mg,Nb)O₃, BiFeO₃ a vrstevnaté štruktúry s Aurivilliovou fázou typu Bi₅FeTi₃O

 

 

Biomateriály na báze kalcium fosfátov a kompozitov s biopolymérmi

• Základný a aplikovaný výskum orientovaný na prípravu a charakterizáciu biomateriálov na báze biocementov a kompozitov. Vyvíjajú sa nové biokompozitné cementové biomateriály na báze kalcium fosfátov s biopolymérnou zložkou resp. biopolymérnych kompozitov s cieľom vytvoriť optimálne systémy z hľadiska mikroštruktúry a zloženia s vhodnými vlastnosťami na aplikáciu v rôznych typoch defektov tkanív.
• Syntéza špecifických vápenato- alebo horečnato- fosfátových fáz a príprava ich zmesí pre využitie ako biocementy v regeneratívnej a rekonštrukčnej medicíne (tvrdé a mäkké tkanivá), zubné lekárstvo atď.
• Príprava implantátov pre medicínske aplikácie a in vivo testy.
• Fázová, chemická, fyzikálno-chemická a materiálová charakterizácia práškových biocementových zmesí.
• charakterizácia vlastností biocementových systémov.
• In vitro testovanie cytotoxicity a iných biologických charakteristík cementov.
• Príprava kompozitných systémov na báze biopolymérnych zmesí s chitosanom, polyhydroxybutyrátom a inými polysacharidovými alebo proteínovými typmi biopolymérov.