Studio di giunzioni di materiali compositi a matrice ceramica per applicazioni in ambienti corrosivi.

Negli ultimi anni, il mondo della ricerca ha investito molte risorse per lo sviluppo di nuove tecnologie che hanno come obiettivo l’utilizzo di fonti rinnovabili e la riduzione delle emissioni di CO2. Recentemente, è stato proposto un processo innovativo di produzione di materiali avanzati basato su tecnologie di Chemical Vapor Infiltration assistita da microonde, che renderà la produzione di compositi a matrice ceramica (CMC) sostenibile per le industrie di processo. Questi materiali potranno andare a sostituire le leghe metalliche Inconel nella realizzazione di tubi radianti, nei forni impiegati per la produzione di acciaio. Per ottenere un miglioramento dell’efficienza energetica e la riduzione delle emissioni di carbonio, sono necessari nuovi materiali che siano resistenti alla corrosione e che abbiano ottime proprietà ad alte temperature. I materiali compositi a matrice ceramica presentano tali proprietà e sono in grado di resistere a queste condizioni. Il lavoro di tesi che viene presentato ha avuto come obiettivo lo sviluppo e la caratterizzazione morfologica di giunzioni per compositi a matrice ceramica. I vetroceramici sono materiali promettenti per realizzare giunzioni di CMC perché hanno una temperatura di fusione relativamente bassa, un’alta resistenza all’ossidazione ed è possibile personalizzare i loro coefficienti di espansione termica e la loro microstruttura. I substrati di CMC ossidici da giuntare sono costituiti da una matrice di allumina-zirconia (Al2O3-ZrO2) rinforzata con fibre di allumina (Nextel 610), mentre i CMC non ossidici sono a base di carburo di silicio (SiC) rinforzati con fibre di carburo di silicio. Per la realizzazione delle giunzioni, sono state studiate nuove composizioni in modo da ottenere un vetro che abbia un coefficiente di espansione termica (CTE) simile a quello dei materiali da giuntare e che soddisfi i criteri di bagnabilità e di resistenza termomeccanica. In particolare, sono state studiate due diverse composizioni per giuntare i CMC ossidici: il T1, che è un vetro a base silice con Y2Ti2O7 come fase cristallina maggiore; il T2M realizzato a partire dalla composizione del T1 ma cambiando la quantità di alcuni ossidi. Per i CMC non ossidici, invece, è stata studiata una sola composizione ovvero lo SBANC_2. Le giunzioni sono poi state sottoposte ad opportuno trattamento termico in modo tale che il materiale di giunzione dia luogo a processi di cristallizzazione e diventi vetroceramico, materiale con proprietà termomeccaniche migliori rispetto al vetro di partenza. Le giunzioni e i materiali di giunzione sono stati caratterizzati termicamente e meccanicamente. Per i CMC ossidici, i risultati ottenuti sono soddisfacenti perché è stato possibile giuntarli sia con il T1, sia con il T2M, anche se con proprietà differenti. Nel caso del T1, si è riuscito a raggiungere un CTE molto simile ai compositi da giuntare ma con una temperatura di fusione più alta rispetto a quella desiderata. Con il T2M, invece, si è riusciti ad abbassare la temperatura di giunzione rispetto al T1 ma con un CTE maggiore. A seguito delle prove meccaniche e dei test alla combustione con esposizione diretta con fiamma, risulta essere il T1 il vetroceramico migliore. Nel caso dello SBANC_2, come materiale di giunzione per i CMC non ossidici, il vetroceramico ha dato buoni risultati in termini di bagnabilità, temperatura di fusione e CTE ma la giunzione dovrà essere sottoposta a test meccanici e a test alla fiamma per poter confermare la sua validità.