Sok, különböző összetevőkből felépülő anyag létezik, de nyilván nem hívjuk mindet kompozitnak. Pontosan mi jellemzi a kompozitokat, mi különbözteti meg őket az anyagkeverékektől?

– Valóban jelentősen különböznek egymástól az anyagkeverékek és a kompozitok. A keveréket, ahogy a neve is mutatja, több anyag összekeverésével állítják elő, és a komponenseit (az összetevőit) bármikor újra szétszedhetjük. A kompozit, amelyet régebben magyarul összetett anyagnak neveztek, viszont az előállítása után roncsolódásmentesen már nem választható szét eredeti összetevőire. Ez a legegyszerűbb módon megfogalmazható különbség a kompozitok és az anyagkeverékek között.

A fémötvözetek kompozitoknak számítanak?

– Nem, mert amikor fémes anyagokból ötvözeteket készítünk (amelyben mindig van egy fő alkotóelem, gyakran a vas, és ahhoz adunk ötvözőelemeket), akkor az ötvöző­elemek atomi szinten épülnek be a kristályrácsba, és onnan már nem lehetséges elválasztani őket. A fémötvözés ilyen értelemben hasonlít a főzéshez. Miután az ételhez hozzáadtuk a hozzávalókat, azokat már nem tudjuk újra elkülöníteni. Bár a kompozit összetevőit sem lehetséges roncsolódás nélkül elkülöníteni egymástól, mégsem atomi szinten épülnek egymáshoz: szabad szemmel vagy mikroszkóppal nézve jól megkülönböztethetők egymástól a komponenseik.

Fém-fém kompozitra a vörösréz és sárgaréz lemezek összekovácsolásával kapott, réteges összetett anyagból (kompozitból), esztergálással kimunkált ékszer.

Melyek a kompozitok fő előnyei az anyagkeverékekhez képest? Miért érdemes előállítani őket?

– Az összetett anyagok vagy kompozitok fő gyakorlati jelentősége abban áll, hogy képesek kölcsönösen javítani a komponensek saját tulajdonságait. Az egymással társított anyagok mindegyikének lehetnek önmagukban kedvező és kedvezőtlen tulajdonságaik. Ezek összetételekor az a cél, hogy a jó tulajdonságaikat egyesítsük és felerősítsük, míg a gyengébb vagy kedvezőtlen jellemzőket igyekezzünk elfojtani. Ezáltal a kompozit a felhasználó számára fontos szempontokból olyan előnyös tulajdonságokat kínál, amire a két anyag önmagában nem lenne képes.

Könnyebb teniszütők

A kompozitok mennyire számítanak modern anyagoknak? A legtöbben még ma is csúcstechnológiaként, szinte „űrtechnológiaként” gondolnak rájuk. Mióta léteznek kompozitok?

– A modern technológia kezdetekor, az ipari forradalmak idején, a 19. században még valóban nem léteztek kompozitok. Viszont a világháborúk idején már elkezdődtek azok a kutatások, fejlesztések, amelyek elvezettek hozzájuk. A hadiiparban jelentkeztek először a korábbiaknál ellenállóbb és különleges tulajdonságú anyagok iránti igények, majd a második világháború után a polgári életben is megjelentek az összetett anyagok. Az első kompozitok üvegszál-erősítésű, műanyag mátrixba ágyazott anyagok voltak. Ezek könnyűek voltak, mégis jól ellenálltak az ütéseknek. A körülbelül hatvan éve kifejlesztett kevlárról mindenki hallott már. A korai kompozitfejlesztéseket a versenysport igényei is erősen ösztönözték, mivel például könnyebb és erősebb teniszütőkre volt szükség. Ezek voltak az ötvenes-hatvanas években elindult polgári alkalmazású fejlesztések, de a katonai és űrkutatási alkalmazások évtizedekkel megelőzték őket. E kutatások során üvegszállal vagy kerámiaszemcsékkel megerősített polimereket állítottak elő. Az ezekből készült alkatrészek nemcsak erősebbek, de könnyebbek is lettek.

A kompozit olyan előnyös tulajdonságokat kínál, amire a két anyag önmagában nem lenne képes.

Az erősítés és a súlycsökkentés a fejlesztések fő célja ma is?

– Igen, ezek a szempontok a legmeghatározóbbak napjainkban is. A leggyakoribb felhasználói igény általában az, hogy legyen nagyobb az anyag teherbírása, vagyis legyen erősebb, és mindeközben csökkenjen a súlya. A kis tömeg különösen az űrkutatásban elsőrendű szempont. Magyarországon egyre inkább fejlődik az űrkutatás, és az űriparban a kompozitoknak jelentős perspektívájuk van. Gondoljunk csak bele, hogy milyen sok pénzbe kerül az eszközök kijuttatása az űrbe, ezért minden gramm megtakarítása számottevő mértékben csökkenti a költségeket. Miután az űripari felhasználók megfogalmaz­ták ezeket az igényeket, az anyagkutatás intenzíven elkezdett foglalkozni ezzel a területtel. De a kompozitkutatás szinte minden területére elmondható, hogy a fő cél: legyen könnyebb és legyen erősebb az anyag. Emellett van még egy nagyon fontos ágazata a kompozitok fejlesztésének, ez pedig a szerszámok gyártása. Hiszen a más anyagok megmunkálására: forgácsolására, esztergálására, fúrására készített szerszámok jelentős és folyamatos erőhatásnak vannak kitéve, viszont nagy az igény az élettartamuk meghosszabbítására. Fontos, hogy a szerszám tovább bírja, illetve nagyobb sebességgel lehessen megmunkálni egy anyagot. Ezek a termelékenység talán legfontosabb mozgatórugói, márpedig a termelékenység termeli a profitot.

A leggyakoribb felhasználói igény általában az, hogy legyen nagyobb az anyag teherbírása, vagyis legyen erősebb, és mindeközben csökkenjen a súlya.

Hogyan kapcsolódik egymáshoz a kompozitok tudományos kutatása és az ipari célú anyagfejlesztés?

– Ahogy Bojár Gábor, a Graphisoft alapítója egyszer kifejtette, a tudománynak ezelőtt 100-120 évvel az volt a szerepe, hogy megmondja a gazdaságnak, hogy mit kell az iparnak csinálnia. De a mai tudománynak már nem ez a szerepe, hanem ki kell szolgálnia az ipar és a gazdaság igényeit. A tudomány képes megteremteni a kutatás-fejlesztési innovációs folyamat révén azokat a megoldási lehetőségeket és végső soron sikereket, amelyek új termékekhez, új anyagokhoz, új eszközökhöz vezetnek. Ma az a fő elvárás a tudomány felé, hogy ezeket az igényeket igyekezzen kielégíteni.

Fém-fém biokompozit a Zomaxx nevű sztent (értágító implantátum) egyik bordacsomópontjának pásztázó elektronmikroszkópos képe; a felvételen a középső, fehér színű réteg tantál, amely jól elnyeli a röntgensugárzást, az alatta és felette lévő réteg anyaga korrózióálló acél.

Melyek a kompozitkutatás aktuális trendjei? Milyen területeken a legnagyobb az igény napjainkban a kompozitokra?

– Manapság az autóipar, illetve a járműipar a kompozitfejlesztés legfontosabb felvevőpiaca. A legtöbb kompozitot főként a személygépkocsik gyártásához állítják elő, de rengeteg összetett anyagot használnak például a repülőgépekben is. Ezeken a területeken folyamatos elvárás már évtizedek óta, hogy csökkenjen általuk a környezeti terhelés: kevesebb üzemanyagot fogyasszanak, kevesebb káros anyagot bocsássanak ki. Ha megnézünk egy mai (vagy akár harminc-negyven éves) gépkocsit, azt látjuk, hogy a hagyományos acél helyett egyre több kompozitanyagot használnak fel a gyártásukkor. Ezeknek az új anyagoknak a nagy része műanyag, de nem egyszerű műanyag, hanem polimer mátrixú kompozit. Ma egy átlagos középkategóriás személygépkocsi tömegének legalább 20-25 százaléka nemfémes anyag, vagyis valamilyen műanyag vagy műanyag mátrixú kompozit.

Manapság az autóipar, illetve a járműipar a kompozitfejlesztés legfontosabb felvevőpiaca.

Szénszálas kompozithuzal

Az önök kutatócsoportja milyen kompozitokkal foglalkozik?

– Én a Magyar Kutatási Hálózat (HUN-REN) és a Buda­pesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem által működtetett Kompozittechnológiai Kutatócsoportban dolgozom. A kutatócsoport vezetője Czigány Tibor egyetemi tanár, akadémikus. Én a kutatócsoporton belül fémkompozitokkal és biokompozitokkal foglalkozom, míg a többiek döntően műanyagokkal. Vagyis polimer mátrixú kompozitokat kutatnak, jellemzően az autóipar és a repülőgépipar számára. Én olyan fémkompozitokat vizsgálok, amelyekben a fémekhez adott adalékanyagok az erősítést és a könnyítést szolgálják. Ezeket az anya­go­kat főként az orvosieszköz-ipar, illetve a hazai űripar néhány szereplője használja fel.

A fém-fém biokompozit Carotid Wallstent nevű értágító implantátum kinyitott állapotban.

Mely területeken használják leginkább a fémkompozitokat?

– Körülbelül 25 éve foglalkozom fémkompozitokkal, pontosabban fémmátrixú kompozitokkal. Akkor ismerkedtem meg velük, amikor egy kiváló, ma 94 éves professzor, Blücher József, aki ’56-ban emigrált Magyarországról, hazatért az Egyesült Államokból, a Massachusettsi Műszaki Egyetemről (az MIT-ről), és ő hozta magával azokat a kérdéseket és megoldandó problémákat, amelyek a fémmátrixú kompozitok területén felvetődtek, miközben a legnagyobb amerikai szervezetek számára fejlesztettek összetett anyagokat. Blücher József pontosan húsz évvel ezelőtt a teljes laboratóriumát a Műegyetemnek adományozta. Ez a laboratórium alapozta meg a mi fémkompozit-kutatásainkat. Mi alapvetően az alumíniumkompozitokkal foglalkozunk: ezt a fémet igyekeztünk összehozni más anyagokkal, például szénszálakkal, illetve kerámiarészecskékkel. Mindezekből olyan anyagokat és termékeket állítunk elő, amelyeknek lehetőség szerint nagyobb a gyakorlati hasznuk, mint akár az egyedülálló összetevőiknek, akár a már létező kompozitoknak.

A Carotid Wallstent nevű értágító implantátum egyik elemi szálának a keresztmetszete; a huzal magja tantál, a köpeny kobalt-króm ötvözet.

Mely fejlesztéseikre emlékszik a legszívesebben?

– Az egyik ilyen volt az úgynevezett kompozithuzal. Blücher József azelőtt bő húsz évvel már kifejlesztette a kompozithuzalt Amerikában, ám jól reprodukálhatóan nem sikerült szénszálat beépítenie az alumíniumolvadékba (hiszen ez a művelet valóban nagyon nehéz), csak kerámiaszálat. A kerámiaszállal megerősített alumínium viszont nem volt megfelelő teherbírású, és eléggé törékeny volt. A szénszálas erősítés azonban rendkívül perspektivikus megoldásnak ígérkezett, hiszen a szénszál igen olcsó anyag volt a kerámiaszálhoz képest, és még ma is az. 2013-ban nekünk sikerült megoldanunk a szénszál jól reprodukálható alumíniumba ágyazását, ami iránt meglehetősen komoly érdeklődést mutattak magyar, japán és német ipari és kutatási partnerek. Egy másik, fémmátrixú kompozitokkal kapcsolatos kutatásban igyekszünk olyan, alumíniumkompozitból készülő végterméket létrehozni, amelyben kerámiarészecskék vannak, és ettől lényegesen nagyobb lesz a kopásállósága, illetve a radioaktívsugárzás-elnyelése. Az utóbbi igényt az űrkutatási ipar hazai szereplői fogalmazták meg, és ezt a célt sikerült is megvalósítanunk a kisebb méretű minták szintjén. A kopásállóság, illetve a szilárdság növelése pedig olyan, Magyarországon működő acél- és fémöntödék számára volt fontos, amelyek a járműiparnak állítanak elő termékeket.

Alumíniummátrixba ágyazott, kerámiarészecskékkel erősített kompozittömbök (balra) és az összetett anyag belső szerkezete egy törési felületen (jobbra).

Összetett újrahasznosítás

A kompozitok tehát több összetevőből állnak, így feltételezhetően nehezebb őket újrahasznosítani. Igaz-e ez a feltételezés, és a kompozitok e jellegzetessége nem ellentétes-e azzal, hogy a környezeti terhelés csökkentése az egyik indoka a járműipari felhasználásuknak?

– Alapvetően igaz, tehát az összetett anyagokat nehezebb újrahasznosítani. Ugyanakkor a legtöbb egyszerű anyag újrahasznosítása sem egyszerű. A fémeknél viszonylag jól működik, ellentétben a műanyagokkal, amelyek hulladék-visszaforgatása még ma is rossz hatásfokkal végezhető – elég ránézni a világtengerekre vagy a hazai erdőkre. Természetesen a kompozitkutatásban, és ezen belül a fémkompozitok kutatásában is nagyon erős a törekvés az újrahasznosítás megoldására (ezt igénylik a gazdasági szereplők és a közvélemény is). Számos kutatási projekt folyik jelenleg is, amelyek például a járműalkatrészek jelentős hányadát kitevő, összességében hatalmas mennyiségű műanyag kompozit újrahasznosítási lehetőségeit vizsgálják. Ezek között sok olyan alkatrész is van, amelyekről nem is gondolnánk, hogy kompozitok. Maga a gumiabroncs is egy összetett anyag. Tehát az újrahasznosítás az egyik legfontosabb kérdés, és jelenleg még óriási probléma szerintem, amelynek megoldásán lényegesen nagyobb erőknek kellene dolgozniuk.

Fémmátrixú, kerámiarészecskével erősített, 10 milliméter vastagságú kompozitlapok lövésteszt után; a mátrix alumínium, az erősítőanyag alumínium-oxid, titán-oxid, titán-karbid, szilícium-karbid.

Jobban tudjuk-e újrahasznosítani ma a kompozitokat, mint, mondjuk, harminc éve?

– Ahhoz, hogy jobban lehessen őket újrahasznosítani, először is olyan fajta kompozit összetevőkre lenne szükség, amelyek önmagukban is jobban újrahasznosíthatók. Vagyis ameddig a műanyagok – például az italospalackok PET alapanyaga – önmagukban sem igazán újrahasznosíthatók (vagy legalábbis rossz e műveletek hatásfoka), addig bajosan várnánk, hogy például a műanyag mátrixú kompozitok újrahasznosítása sikeresebb lesz. De egyértelmű az erre irányuló komoly törekvés. Azokon a hazai egyetemeken, ahol foglalkoznak műanyagokkal, mindenhol zajlanak az újrahasznosítással kapcsolatos kutatások, és születtek már részben működő eredmények is. Például létrehozhatunk olyan terméket, amelyben kicserélik a több ezer év alatt se lebomló műanyagot néhány száz vagy néhány tíz év alatt lebomló anyagra (jó példa erre a lebomló nejlonzacskó). Tehát egyértelműen létezik tudományos törekvés az újrahasznosításra, ugyanakkor kétségtelen, hogy a kompozitok nagyon megnehezítik a visszaforgatást.

Egyértelműen létezik tudományos törekvés az újrahasznosításra, ugyanakkor kétségtelen, hogy a kompozitok nagyon megnehezítik a visszaforgatást.

Ez a probléma nem tántorítja el a felhasználókat attól, hogy kompozitokat használjanak?

– Kérdés, hogy itt kit értünk „felhasználón”: az egyéni felhasználót, vagyis a vásárlókat vagy az ipari felhasználókat. A vásárló magánemberek a legtöbbször azt sem tudják, hogy milyen anyagokat tartalmaz a termék, a kompozitokról, illetve azok újrahasznosítási nehézségeiről pedig még kevesebbet tudnak. Tehát náluk nem jelentkezik ez a fenntartás. A kompozitokat feldolgozó és termékké alakító ipar pedig alapvetően a gazdasági szükségszerűségek szerint működik. Tehát addig, amíg erre nincs valamilyen kényszer, nem várhatjuk, hogy változtatni fog a bevett gyakorlaton. A legjobb kényszer az lenne, hogyha nyereségességi szempontból nem érné meg a feldolgozóiparnak, hogy környezetszennyező anyagokat használjon. Ám a szervezetek és a kormányok is elősegíthetik, hogy kevesebb szennyező anyag, köztük kompozit kerüljön ki a természetbe.

Fémmátrixú, kerámiarészecskével erősített, 10 milliméter és 2 milliméter vastagságú kompozitlapok; a mátrix alumínium, az erősítőanyag (a mikroszkóppal készült képen fekete) bór-karbid.

A kompozittechnológián belül talán a biokompozitok kutatása az egyik legújszerűbb, leginkább reflektorfényben lévő terület. A biokompozitokban ugyanis az összetevők között vannak biológiai eredetű anyagok, illetve a végtermék kompatibilis az élő szervezettel. Milyen perspektívát lát ezekben, a valós jelentőségük hogyan aránylik a népszerűségükhöz?

– A biokompozitok tömegessége elmarad az egyéb kompozitanyagok mennyiségétől. Tehát az orvosi iparban, a bioágazatban, a mezőgazdaságban, az állategészségügyben és másutt alkalmazott biokompozitok viszonylag kis szeletét jelentik az összetett anyagoknak. Viszont a biokompozitok hozzáadott értéke gyakran számottevő, ezért a jelentőségük meghaladhatja a mennyiségüket. Például az orvosi területen alkalmazott biokompozitok terén komoly előrelépések történtek az elmúlt időszakban, és jól tudjuk, hogy az egészségügyi ipar a legprofitábilisabb ipari szektorok egyike az egész világon, így Magyarországon is. Márpedig az orvosi eszközök gyártásában a kompozitok (nemcsak a biokompozitok, hanem mindenféle összetett anyag) egyre erőteljesebb szerepet játszanak. A biokompozitok egyik fő feladata az, hogy a korábbi anyagok okozta szövődményeket megakadályozzák ezekkel az új anyagokkal, amelyek talán összeférhetőbbek az emberi szervezettel. Ezért gyakran gyártanak belőlük implantátumokat, illetve olyan ideiglenes eszközöket, amelyek felszívódnak, lebomlanak, gyakorlatilag megsemmisülnek, miután a funkciójukat betöltötték.

Viszont a biokompozitok hozzáadott értéke gyakran számottevő, ezért a jelentőségük meghaladhatja a mennyiségüket.

Az utóbbi évtizedekben gyakran hozták kapcsolatba a nanotechnológiát a kompozittechnológiával, hiszen azt várták sokan, hogy a nanocsövek és más miniatűr alkatrészek majd felváltják a szén- és üvegszálakat a kompozitokban. Mennyire váltották be ezek a törekvések a hozzájuk fűzött reményeket?

– Én úgy látom, hogy a nanotechnológia kifejezés lassan mintha a múlt homályába veszne. Újabban egyre ritkábban találkozni a nano- előtagú szavakkal a szakmai és tudományos kommunikációban. Valóban létezett-létezik a nanokompozitok létrehozását célzó kutatási irány, és ezeknek az anyagoknak megvan a maguk helye és jelentősége, de ez sok tekintetben egy olyan tudományos divat volt, amelyet mára fölváltott egy új divat. Végül is minden anyag „nanoanyag”, ha van elég erős mikroszkópunk, amellyel ilyen kis léptékben vizsgálhatjuk a szerkezetét.•

Címlapkép: Freepik.com