Za pomocą impulsów gorącej plazmy w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku modyfikuje się właściwości powierzchniowe stali, czyniąc ją odporną na utlenianie w wysokiej temperaturze. "Nasza metoda to rozwiązanie unikalne w skali świata" – mówi dr inż. Bożena Sartowska z Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej.
Intensywne wyładowanie plazmowe, trwające zaledwie ułamek sekundy, przetapia powierzchnię stali i jednocześnie wprowadza do niej atomy ceru i lantanu. Efektem zabiegu, opracowanego w wyniku ścisłej współpracy Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku (IPJ) oraz Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ), jest materiał o podwyższonej odporności na utlenianie w wysokiej temperaturze.
Prace nad plazmowym modyfikowaniem powierzchni stali zostały zainicjowane przez zmarłego w zeszłym roku prof. dr. hab. Jerzego Piekoszewskiego (IPJ, IChTJ) i dr inż. Bożenę Sartowską. W badaniach jest wykorzystywane prętowe działo plazmowe IBIS, zbudowane w IPJ w latach 90. "Urządzenie generuje plazmę o zadanym składzie chemicznym, bardzo gorącą.
Jej temperatura może sięgać nawet 100 mln stopni, czyli wartości większych od tych, przy których zachodzą reakcje termojądrowe na Słońcu" – wyjaśnia dr Cezary Pochrybniak z Zakładu Fizyki Plazmy i Inżynierii Materiałów IPJ.
Głównym elementem działa IBIS są dwa koncentryczne wieńce elektrod. W obszar między nimi naukowcy wprowadzają gaz roboczy. Gdy jego gęstość staje się odpowiednio duża, do elektrod jest przykładany impuls wysokiego napięcia, co skutkuje wyładowaniem elektrycznym w obszarze międzyelektrodowym. Powstaje plazma, przez włókna której płynie gigantyczny prąd. Wskutek działania sił magnetohydrodynamicznych dochodzi do kompresji i wytworzenia zgęstka plazmowego o bardzo wysokiej temperaturze. Zgęstek ten rozpada się po ok. 200 nanosekundach (miliardowych częściach sekundy). Strumień cząstek wyrzucanych po rozpadzie plazmy ma energię wystarczającą do przetopienia warstwy powierzchniowej mikrometrowej grubości.
Jeśli stal ma w istotny sposób zmienić swoje właściwości, np. zyskać większą odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze, oddziałująca z powierzchnią plazma musi zawierać takie pierwiastki jak cer i lantan. W trakcie procesu jony pierwiastków znajdujących się w plazmie wnikają do przetopionej warstwy metalu. Gdy impuls ustaje, stopiony materiał krystalizuje i powstaje warstwa domieszkowana wybranymi metalami. "W przeciwieństwie do innych procesów, nasza metoda umożliwia wytworzenie warstwy powierzchniowej doskonale związanej z rodzimym podłożem. Bardzo często struktura krystaliczna tej warstwy odpowiada strukturze podłoża" – podkreśla dr inż. Marek Barlak (IPJ).
W przyszłości stal modyfikowana impulsami plazmowymi prawdopodobnie znajdzie zastosowanie przy budowie jądrowych reaktorów wysokotemperaturowych oraz reaktorów termojądrowych. Elementy tych urządzeń muszą pracować w atmosferze powietrza w temperaturze 750-800 stopni Celsjusza – tak wysokiej, że typowe stale austenityczne tracą swe właściwości i ulegają degradacji.
Instytut Problemów Jądrowych w Świerku wykorzystuje działo plazmowe IBIS do wielu celów, m.in. do modyfikowania folii tytanowych palladem lub platyną. Pallad wydłuża czas pracy elementów tytanowych w środowiskach agresywnych chemicznie, a platyna umożliwia konstruowanie katalizatorów spalin o długim czasie eksploatacji, odpornych na wstrząsy mechaniczne. Prowadzone są także prace nad półprzewodnikami magnetycznymi, poprawą zwilżalności ceramik przez roztopione metale i wytwarzaniem wysokotemperaturowych warstw nadprzewodzących.
Badania nad plazmowym modyfikowaniem powierzchni materiałów będą rozwijane w Świerku dzięki nowym laboratoriom, których tworzenie przy wsparciu funduszy unijnych rozpocznie się zapewne już w drugiej połowie roku. Komercjalizacja technologii opracowanej przez naukowców z IPJ i IChTJ będzie możliwa m.in. w Parku Naukowo-Technologicznym powstającym na terenie ośrodka.
Informacja prasowa Instytutu Problemów Jądrowych im. A. Sołtana.
