Stratégia výskumu a rozvoj Ústavu na roky 2016-2020
Súčasný stav oblasti pôsobenia Ústavu v národnom a medzinárodnom kontexte
Je zrejmé, že nové materiály so zlepšenými vlastnosťami a nové alebo upravené výrobné technológie sú atraktívnymi témami tak z národného, ako aj medzinárodného hľadiska. Plne korešpondujú s prioritami európskeho inovačného programu Horizont 2020 ako aj s národnou Stratégiou výskumu a inovácií pre inteligentnú špecializáciu SR (RIS3), kde prvou z 5 výskumných priorít je vývoj nových materiálov.
Európsky program Horizont 2020 s vývojom nových materiálov ako zvláštnou nezávislou témou nepočíta, avšak jeho jednotlivé výzvy sa tejto oblasti často týkajú.
Ústav dokáže riešiť potreby nasledujúcich priorít programu Horizont 2020:
- Excelentná veda - rozvoj kľúčových technológií (vývoj technológií výroby smart materiálov, technológií pre flexibilnú výrobu veľkorozmerných ľahkých konštrukcií, manipulácia so štruktúrou materiálov na nano úrovmi, atď.)
- Konkurenčný priemysel - vývoj techník pre aditívnu výrobu, nákladovo efektívne výrobné technológie nových materiálov ako sú kompozity, peny, materiály na báze práškov, efektívne využitie viac materiálových kombinácií atď
- Spoločenské potreby - tu môže Ústav prispieť v mnohých oblastiach, ako sú materiály pre ekologické automobily (nové batérie, ľahké súčiastky, materiály pre ukladanie a rekuperáciu energie, materiály pre prácu s teplom, atď.), energeticky efektívne budovy a ekologické hospodárstvo (riešenia energeticky úsporného vykurovania a chladenia pomocou panelov z penového hliníka, akumulácia tepla pomocou PCM kompozitov, ľahké energeticky úsporné stavby, atď), a to aj v prioritnej oblasti zdravia (nové medicínske implantáty, biodegradovateľné materiály)
Slovensko s takmer 25% HDP vytvoreným priemyslom patrí k silným priemyselných krajinám. Väčšinu priemyselnej výroby vyrába automobilový a elektrotechnický sektor a pridružení dodávatelia. Z tohto dôvodu bol vybraný vývoj týchto dvoch sektorov za strategickú prioritu v RIS3.
Veľké automobilky (VW v Bratislave, PSA Pegueot Citroen v Trnave a Kia v Žiline) presunuli svoje najprogresívnejšie a náročné montáže na S
lovensko. Volkswagen tu začal jedinečnú výrobu viac
materiálovej karosérie s veľkým podielom ľahkých hliníkových dielov (Audi Q7, Porsche Cayenne a očakávný Touareg). Jaguar Land Rover je najnovším členom rodiny, ktorého cieľom je vyrábať SUV s hliníkovou karosériou v Nitre. Výroba hliníkových karosérií sa na Slovensku stáva veľmi zaujímavou témou, a to je dôvod prečo vývoj ľahkých kovových materiálov s osobitným dôrazom na hliník a horčík bol uvedený medzi
perspektívnymi strategickými prioritami v RIS3.
Skutočne vo svete nie je až toľko skúseností so sériovou výrobou hliníkových automobilov a prítomnosť týchto automobiliek prináša možnosť preorientovať sieť miestnych dodávateľov z ocele na hliník. Ústav tradične patrí k primárnym slovenským vývojárom nových aplikácií na báze hliníka a má na to všetky potrebné schopnosti. Samozrejme, Ústav má silný záujem ich ďalej rozvíjať a prispievať k rozvoju Slovenska na medzinárodne uznávanú priemyselnú krajinu so silným postavením v oblasti produktov vyrobených z hliníka. Preto ľahké konštrukčné materiály zostávajú ako prvá priorita v stratégii Ústavu.
Stratégia ústavu však zahŕňa viac ako len materiály pre automobily. Ústav chce ďalej prehlbovať aj svoje poznatky v oblasti kompozitov s kovovou matricou, aby bol pripravený na ďalšie inovácie keď súčasné technológie a materiály bude treba nahradiť výkonnejšími.
Napokon, hliník sa bude stále viac a viac nahrádzať horčíkom, čo vyžaduje ďalší podstatný posun vo vývoji technológií a materiálov. Pre Ústav je veľmi dôležité byť pripravený na túto blízku budúcnosť a získať potrebné skúsenosti.
Materiály na výrobu, premenu a uchovávanie energie predstavujú jednu z celosvetovo kľúčových tém (často sa im venuje aj program Horizont 2020). Patria medzi ne materiály, ktoré v dôsledku vylepšených vlastností pri zvýšených teplotách zefektívňujú výrobu energie. Na druhej strane lepšie pochopenie procesu ich degradácie a presnejšia kontrola strojov a zariadení na výrobu energie môže zvýšiť ich životnosť takže výroba energie bude lacnejšie a šetrnejšia k životnému prostrediu.
Stále dôležitejšiu úlohu hrá energia z obnoviteľných zdrojov. Tieto sú typicky závislé od času (vietor, slnko) a nie sú veľmi vhodné na dodávky pre okamžitú spotrebu. Túto energiu je preto treba skladovať aby bola k dispozícii keď bude potrebná. Tu ponúkajú materiály na skladovanie energie nové príležitosti, ktoré treba preskúmať a rozvinúť.
Našim spoločným poslaním je prispievať k premene Zeme na lepšie miesto pre život. Ústav k tomuto cieľu bude prispievať aplikáciou svojich poznatkov v lekárstve a v bezpečnosti cestnej premávky.
Stratégia výskumu Ústavu v národnom a medzinárodnom kontexte
Základnou filozofiou Ústavu je vykonávať výskum a vývoj, ktorý prináša zreteľné a nepochybné výhody pre spoločnosť. Toto je pre Ústavu vhodný spôsob, ako napraviť a posilniť postavenie vedy v širokej verejnosti. Vychádzajúc z tejto filozofie, Ústav zameria svoju stratégiu výskumu na tieto oblasti
A) Ľahké konštrukčné materiály zamerané predovšetkým na konštrukčné aplikácie v strojárstve s hlavným záujmom v automobilovom priemysle - týkajú sa pilieru 2 v programe Horizont 2020. Bude sledovaných niekoľko oblastí:
- Vývoj HITEMAL-u (vysokoteplotný hliník), čo je patentovaný ultrajemnozrnný alebo jemnozrnný Al-Al2O3 kompozit pripravený kompaktovaním Al práškov komerčnej čistoty atomizovaných jemným plynom. Na základe štúdií, ktoré objasnili mechanizmus formovania mezipovrchového spájania, budú skúmané ďalšie bežné inžinierske kovové prášky s cieľom získať kompozity stabilizované súvislou sieťou ich prirodzených oxidov s dostatočnou pevnosťou a tvárnosťou. Tieto materiály nájdu svoje uplatnenie v novej generácii súčastok motora (piestov, ojníc, čapov, prevodových kolieá a pod), v potrubných registroch vysokoteplotných solárnych kolektorov (APVV projekt od 07/2015), alebo v kontajneroch na skladovanie použitého jadrového paliva (priemyselná spolupráca).
- Bude sa študovať nitridačná reakcia v in-situ Al-AlN kompozitoch so zvýšeným modulom pružnosti a vyskoteplotnou pevnosťou aby sa zabezpečila riaditeľnosť a opakovateľnosť nitridačného procesu Al práškov aj v priemyselnom meradle (očakáva sa, že materiál sa bude používať v prípadoch typických pre dobre zavedený HITEMAL, avšak so zvýšeným pomerom tuhosti k hmotnosti)
- Vyvinie sa vlastná technológia konsolidácie pre výrobu nanoštruktúrovaných Al materiálov
- Vyvinie sa nový kompozit s Al matricou spevnený keramickými časticami pre kontajnery na uskladňovnanie rádiaktívneho odpadu (spolupráca s veľkou francúzskou spoločnosťou od roku 2015)
- Vlastnou technológiou atomizácie nedávno zavedenou na Ústave sa pripravia nové prášky z Al zliatin s cieľom ich použitia ako východiskový materiál pre 3D tlač (lazerové spekanie)
- Ďalej sa bude vyvíjať špeciálna odlievacia technológia založená na patentovanom FACT (foaming asssited casting) procese umožňujúca jednoduché odlievanie veľkých ľahkých súčiastok ako sú škrupinové karosérie tak, aby sa dosiahla jej priemyselná vyzretosť (strategická spolupráca s dodávateľmi karosérií)
- Ďalej sa budú optimalizovať nové horčíkové kompozity pre ultraľahké súčiastky (ESA PECS zmluva od 05/2016)
B) Materiály na výrobu, premenu a uskladnenie energie - týkajú sa pilierov 2 a 3 v programe Horizont 2020 (zabezpečiť čistú a bezpečnú energiu, inteligentnú, ekologickú a integrovanú dopravu). Bude sa sledovanať niekoľko oblastí:
- Výskum ľahkých zliatin na báze TiAl sa sústredí na in-situ kompozity s lamelárnou matricou pozostávajúcou z γ(TiAl) a α2(Ti3Al) lamiel, kde budú distribuované častice MAX-fázy (Ti3AlC alebo Ti2AlC). Náš dizajn in-situ kompozitov sa sústredi na in-situ kompozity s obsahom Al medzi 40 až 47 at.%, obsahom Nb od 3 do 7at.% a obsah C a N bude kolísať tak, aby sa dosiahlo 30 obj.% MAX-fázy. Bude sa študovať závislosť medzi in-situ legovaním vybraných tavenín TiC a TiN časticami a morfológiou (veľkosť, tvar a rozdelenie), objemovým podielom a chemickým zložením Ti2Al(C,N) fáz. Porozumejú sa základné princípy formovania štruktúry počas gravitačného a odstredivého odlievania odliatkov jednoduchých tvarov a prototypov kolies turbodúchadla.
- Ďalší rozvoj zliatin s vysokou entropiou sa sústredí na FeCoCrNiX, AlCoCrFeX a CrNbTiZrX systémy pripravené technikami tavenia a odlievania. Výskum sa sústredí na základné aspekty formovania anizotropického kolumnárneho zrna a monokryštálických štruktúr pripravených usmernenou kryštalizáciou, identifikáciu cesty tuhnutia, prechod z kolumnárneho na rovnoosý, fázové transformácie a charakterizáciu mikroštruktúry. Pokročilé skúšobné techniky mechanických vlastností budú podporené numerickým makro-, mezo- and mikro-úrovňovým modelovaním deformačných vlastností. Bude sa analyzovať mechanizmus riadiaci deformovanie pri izbovej a vysokej teplote.
- Vyvinú sa kompozity pre elektródy výkonových plazmových generátorov. Tieto sa pripravia tlakovou infiltráciou W alebo keramických (ZrB2) predforiem s Cu. Kompozity Cu-W pripravené vlastnou patentovanou technikou sa na tento účel osvedčili. Avšak výrobcovia spaľovní odpadu či účely obrábania si vyžadujú väčšie a väčšie elektródy schopné prenášať zvyšujúce sa výstupné výkony.
- Vlastné vykurovacie/chladiace panely impregnované materiálmi meniacimi fázu vyrástli a teraz sú schopné poskytnúť komplexné riešenie pre ekologické domy. Ich použitie v stavebníctve umožňuje akumuláciu tepla vykazujúcu chladiaci účinok, ako aj tepelné žiarenie s účinkom zahrievania. Navrhovaná koncepcia sa bude testovať pomocou nášho dobre vybaveného „SmartGrid“ - skúšobného laboratória na výrobu, skladovanie a spotrebu energie získanej z obnoviteľných zdrojov.
- Horčík je atraktívny materiál na skladovanie vodíka; Bude sa študovať vplyv zloženia Mg taveniny, rýchlosti chladenia, tlaku plynu a veľkosti častíc Mg na množstvo vodíka absorbovaného v pevnom prášku. Okrem toho sa stanoví schopnosť takého prášku opakovane absorbovať a vylúčiť vodík bez nadmerného vytvárania pasívnej vrstvy na povrchoch častíc. Preskúmajú sa spôsoby ďalšieho použitia prášku po vyčerpaní jeho schopnosti účinne viazať vodík. Úspešné výsledky by mohli revolučne pomôcť pri skladovaní energie z čistých a obnoviteľných zdrojov, čím by prispeli k vytváraniu udržateľne čistého životného prostredia. (Projekt APVV od 07/2015)
- Zvyšujúce sa výskumné činnosti sa venujú vývoju PCM/Al penových kompozitov na zlepšenie hospodárenia s teplom (akumulátory, brzdné systémy výkonovej elektroniky, kryty strojov, interiéry budov) alebo ako zásobníky tepla (nový projekt Horizontu 2020 Everlast, priemyselná spolupráca).
C) Ľudské blaho - týka sa pilieru 3 v programe Horizont 2020 (zdravie a pohoda). Bude sa sledovať niekoľko oblastí:
- Preskúma sa nový prístup pre aplikáciu horčíka v biologicky degradovateľných lekárskych implantátoch s uspokojivými mechanickými vlastnosťami (blízkym vlastnostiam prírodnej kosti), biologická kompatibilita a kontrolovateľná rýchlosť degradácie.Tento prístup je založený na použití ultrajemných práškov Mg alebo zliatiny Mg na výrobu degradovateľných implantátov, zatiaľ čo mechanické vlastnosti zhutneného prášku sa budú dosahovať prostredníctvom (i) veľkosti zŕn práškových častíc, (ii) legovania vhodným biologicky kompatibilným prvkom ( Zn, Ca, Mn) a iii) prostredníctvom množstva povrchových oxidov alebo nitridov vytvorených na povrchu častíc prášku pred zhutnením. Tieto natívne oxidy alebo nitridy budú slúžiť aj ako difúzne bariéry na kontrolu rýchlosti degradácie (projekt JRP SAV - TUBITAK od 12/2014).
- Patentované kompozity Ti-Mg pre zubné implantáty pripravené práškovými metalurgickými postupmi sa budú testovať a optimalizovať z hľadiska mechanických vlastností a biokompatibility. Takto pripravené kompozity sa podrobia testom in vivo, aby sa preskúmala schopnosť MgO vrstvy regulovať rýchlosť rozpúšťania Mg v tele zvierat.
- V oblasti mechaniky strojov sa výskum bude zaoberať analýzou vibrácií v systéme cesta-vozidlo-vodič. Výskumné úsilie bude zamerané na poskytovanie jedinečných in-situ meraní drsnosti vozovky a vibrácií pôsobiacich na celé telo pre rôzne typy vozidiel, rýchlosti vozidiel a kategórie ciest; určí sa korelácia medzi súčasnými ukazovateľmi pozdĺžnej nerovnosti vozovky a nameranými vibráciami celého tela podľa ISO 2631-1 vo vozidle. Na základe nameraných profilov sa odvodí vzťah medzi parametrami spektra prevýšenia vozovky (index nerovnosti a zvlnenie) a vibráciami celého tela.
D) Ďalšie VaV aktivity - týkajú sa pilieru 2 v programe Horizont 2020.
- Vyvinú sa pokročilé tvrdé keramické ochranné povlaky s vysokou tvrdosťou v kombinácii so zvýšenou húževnatosťou. Znamená to zníženie modulu pružnosti pri zachovaní vysokých hodnôt tvrdosti. Zdá sa, že vhodným spôsobom je legovanie dobre známych krehkých nitridov ternárnych prechodných kovov nitridmi päťmocných prvkov skupiny VB. Očakávané výsledky by mali byť lepšia odolnosť proti tepelným nárazom počas obrábania ťažko opracovateľných materiálov, dlhšia životnosť rezných nástrojov atď.
- Pripravia sa amorfné tvrdé povlaky pre ochranné aplikácie pri vyšších teplotách do 2000 ° C v agresívnej oxidačnej atmosfére. Materiálový dizajn kompozitných povlakov na báze amorfného nitridu/oxidu s absenciou zŕn brániacich priamemu kontaktu vonkajšej atmosféry so substrátom cez hranice obklopujúcich zŕn, napríklad ochranné povlaky pre lopatky ɣ-TiAl v turbínach, lietadlách a vesmírnych aplikáciách atď.
- Budú sa skúmať nové technologické prístupy k vysoko rýchlej reaktívnej depozícii oxidových povlakov s rýchlosťou depozície nad 10 000 nm/min. Vývoj duálnych magnetrónových systémov v kombinácii s AC/DC pulznými napájacími zdrojmi.
- Budú vyvinuté vysoko ionizované depozičné technológie na získanie veľkého množstva ionizovaných naprašovaných častíc pre lepšie riadenie štruktúry rastúcich filmov s požadovanými vlastnosťami. Bude sa skúmať tvorba vysokoteplotných fáz v povlakoch vyrobených pri teplotách nižších ako 500 °C, nanokryštalizácia amorfných materiálov pri teplotách približne 100 °C alebo menej pre flexibilnú elektroniku atď.
Infraštruktúra a ľudské zdroje
V poslednom období Ústav s využitím zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja (ERDF) zlepšil svoju infraštruktúru vrátane infraštruktúry svojich pracovísk v regiónoch Trnavy a Žiaru nad Hronom a v súčasnosti má vybudovanú základnú infraštruktúru potrebnú pre svoje strategické aktivity.
V ďalšom období musí Ústav získať dostatočné zdroje pre vysokokvalifikovaných vedeckých pracovníkov. Rozpočet Ústavu od štátu je približne rovnaký viac ako 10 rokov a pokrýva iba časť platov. Prijímanie nových zamestnancov si preto vyžaduje dodatočné externé zdroje z projektov alebo kooperácií. Tieto okolnosti vedú Ústavu k stratégii do nasledujúcich rokov - plán zamestnať asi 20 nových výskumných pracovníkov financovaných z prostredkov ŠF EÚ, ktorí by už na konci programového obdobia 2014 - 2020 mali byť dostatočne kvalifikovaní na to, aby vedeli získať požadované zdroje aj bez potreby štrukturálnych fondov.
Cieľom ústavu je byť, vďaka kvalite personálu a infraštruktúry, na konci roku 2020 menej závislý od zdrojov zo štátneho rozpočtu ako je tomu dnes.