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Ceramici ultra-refrattari per applicazioni spaziali ed industriali

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I metalli di transizione (Ti, Zr, Hf, Ta) formano boruri e carburi che, per il loro punto di fusione tra 3000K e 4200K, vengono definiti ceramici ultra-refrattari (UHTC).

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Profilo alare a geometria aguzza testato presso galleria al plasma SPES – DIAS Università di Napoli Federico II

Questi materiali sono contraddistinti da:

  • punti di fusione elevatissimi
  • alta durezza
  • elevata conduttività termica ed elettrica
  • buona resistenza all'ossidazione
  • resistenza meccanica ad alta temperatura

che li rende unici per alcune applicazioni in ambienti estremi, e specialmente nell'aero-spazio come:

  • coni di prua
  • bordi alari d'attacco
  • superfici di controllo per veicoli ipersonici
  • superfici di controllo per veicoli di rientro
  • inserti per ugelli di razzi
  • componenti per sistemi di propulsione forzata in aria.

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Coppia di portacampioni per missione spaziale ESA

ISTEC-CNR è la sola realtà istituzionale scientifica che a livello nazionale ed europeo porta avanti da 15 anni attività di ricerca e sviluppo sugli UHTC. Questa mole di attività è stata spesso condotta all’interno di contratti e collaborazioni con:

  • Centro Italiano Ricerche Aerospaziali
  • Agenzia Spaziale Italiana
  • European Space Agency
  • Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Napoli Federico II
  • US Air Force
  • National Science Foundation

e spazia dalla ricerca scientifica di base fino alla comprensione della stabilità dei materiali a temperature estreme in condizioni di riscaldamento aerotermico, fino alla fabbricazione di dimostratori e prototipi a forma complessa e dimensioni realistiche.

PUBBLICAZIONI E BREVETTI

F.Monteverde, S. Guicciardi, A. Bellosi, Advances in microstructure and mechanical properties of ZrB2 based ceramics, Materials Science & Engineering A, 346/1-2, 310-319 (2003).

F. Monteverde, R. Savino, Stability of ultra-high temperature ZrB2-SiC ceramics under simulated atmospheric re-entry conditions, Journal of European Ceramic Society, 27, 4797-4805 (2007)

A. Bellosi, F. Monteverde, L. Scatteia, Development and properties of UHTCs for sharp leading edges on hypersonic vehicles”, Mat. Sci Engineering A, 485(1-2), 415-421 (2008).

D. Sciti, S. Guicciardi, A. Bellosi, G. Pezzotti, “Properties of a pressureless sintered ZrB2-MoSi2 ceramic composite”, Journal of the American Ceramic Society, 89 [7] 2320-2322 (2006)

S. Guicciardi, L. Silvestroni, M. Nygren, D. Sciti, “Microstructure and toughening mechanisms in spark plasma sintered ZrB2 Ceramics reinforced by SiC Whiskers or SiC chopped fibers”, Journal of the American Ceramic Society, 93 [8] 2384-2391(2010).

STRUMENTI E PROCESSI

Le attività di ricerca e sviluppo inerenti a questa classe di materiali vedono una sequenza logica della:

  • Progettazione composizione
  • Preparazione materiali
  • Caratterizzazione termo-meccanica
  • Realizzazione prototipi 

al fine di definire nuove composizioni adatte per applicazioni ad alta temperatura ma anche di identificare le correlazioni proprietà-microstruttura.

Progettazione composizionale: selezione tipo e quantità di boruri o carburi dei metalli di transizione insieme ad altre fasi secondarie (particelle o fibre di SiC, siliciuri)

Preparazione miscele polveri: miscelazione-macinazione-essiccamento

Formatura in forme semplici e sinterizzazione a caldo con forni speciali (pressa a caldo, forno assistito da pressione di gas fino a 2150°C in atmosfera inerte.

I materiali così sinterizzati sono caratterizzati:

  • Microstruttura (XRD, SEM-EDS, TEM)
  • proprietà termo-meccaniche (durezza, modulo di elasticità, tenacità alla frattura, resistenza alla frattura, espansione termica, resistenza allo “shock termico”, conduttività termica)
  • resistenza all’ossidazione
  • resistenza dinamica all’ossidazione in ambiente aerotermico (in collaborazione con il DIAS-’Università di Napoli “Federico II”.

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Viti filettare ottenute mediante EDM

Dimostratori di ridotte dimensione fino a prototipi più grandi sono regolarmente progettati e realizzati su specifiche richieste.

PRINCIPALI COLLABORAZIONI SCIENTIFICHE

  • 2004: PRORA-USV-UHTC “Nose Cap-Massive Diborides (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali)
  • 2008-2009: Advanced Structure Assembly – Phase B (Agenzia Spaziale Italiana)
  • 2008-2009: DEDALO, Ultra High temperature Ceramics (Regione Lombardia)
  • 2008-2010: Sviluppo e caratterizzazione di ceramici ultra-refrattari (Progetto Bilaterale CNR-Accademia Cinese delle Scienze)
  • 2009: In-flight aerothermodynamic characterization of ultra high temperature ceramics (Agenzia Spaziale Europea)
  • 2010-2011: UHTC massivi tenacizzati (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali)
  • 2010-2011: Test di ossidazione di UHTC in forno solare (PROMES-CNRS, Francia)
  • 2009-2010: Caratterizzazione di materiali UHTC mediante microscopio elettronico a trasmissione (FA8655-09-M-4002, European Office of Aerospace Research and Development- UK, US Air Force
  • 2010-2012: Ceramici ultrarefrattari ad elevata resistenza meccanica e tenacità rinforzati con fibre e nanotubi di carbonio (Progetto Bilaterale CNR –Accademia Slovacca delle Scienze)