Giunzioni metallo-ceramico per applicazioni ad alta temperatura di membrane per la separazione del gas

La ricerca e lo sviluppo su componenti energeticamente efficienti per la generazione di potenza e per grandi processi industriali sono cresciuti tremendamente negli ultimi decenni. In questo contesto, la crescente domanda di ossigeno per un utilizzo pulito e sostenibile dell’energia è di fondamentale importanza per rinnovare gli impianti termici esistenti, i quali sono migliorati con l’utilizzo di membrane per il trasporto di ossigeno per ridurre le emissioni. Inoltre, le membrane ceramiche sono largamente utilizzate come promettenti sostituti di quelle polimeriche, massimizzando allo stesso tempo sia il trasporto ionico che elettronico, mentre quelle basate sulle perovskiti sono state selezionate come conduttori ionici ed elettronici per la diffusione dell’ossigeno attraverso le vacanze ed i difetti interstiziali del reticolo affinché le proprietà termo-meccaniche del sistema vengano migliorate: robustezza, affidabilità e resistenza ad alte temperature rappresentano i più grandi miglioramenti. In particolare, questa tesi si focalizza su materiali di giunzione per l’integrazione di un modulo di membrana per il trasporto di ossigeno per applicazioni che richiedono alte temperature: la necessità di unire insieme una grande quantità di materiali con diverse composizioni e proprietà, ha innalzato l’attenzione verso la ricerca di meccanismi di giunzione innovativi. Nello specifico, il focus è centrato sulla completa caratterizzazione di due diverse tipologie di vetro-ceramici (rispettivamente, GOx e HJ11) selezionati come promettenti materiali di giunzione per l’integrazione di un modulo planare OTM per applicazioni che richiedono alte temperature. Gli isolanti vetro-ceramici sono largamente utilizzati nell’industria dell’energia, in quanto impediscono miscelazione di gas e conseguentemente una decrescita dell’efficienza del sistema. Questi materiali devono possedere un’elevata aderenza al gas, compatibilità termo-chimica e termo-meccanica con materiali ceramici e metalli, stabilità in rilevanti condizioni operative (950 °C per migliaia di ore). La procedura di giunzione adesiva è stata utilizzata per compensare gli scompensi del coefficiente di espansione termica tra un substrato metallico composto di Inconel 625 ed una membrana LSCF, la quale è composta di uno strato denso supportato da uno poroso. Dopo la completa formazione e caratterizzazione del vetro grazie alle analisi termiche, la configurazione di giunzione è stata assemblata ed in seguito analizzata con diversi strumenti per avere un’evidenza dei parametri fisico-chimici. Le procedure sperimentali effettuate con il GOx non hanno portato ai risultati auspicati, in quanto la configurazione completa non è stabile ed è soggetta a molti squilibri di CTE, persino dopo aver trattato termicamente il substrato metallico. D’altra parte, le proprietà di adesione-coesione mostrate dal secondo tipo di vetro ceramico investigato (HJ11) sono incoraggianti, poiché la giunzione completa (LSCF-vetro ceramico-Inconel) mostra robustezza e solidità. Test meccanici, in particolare quello di torsione, così come il trattamento di invecchiamento termico sono stati eseguiti su piccoli campioni per dimostrarne l’adeguatezza e affidabilità per un futuro processo di ingrandimento, necessario per la commercializzazione e la penetrazione della tecnologia ad un livello industriale.