Processi di giunzione per compositi a base di carburo di silicio = Joining processes for silicon carbides based composites

Il settore chimico emette significative quantità di inquinanti come NOx e SOx durante l'intero ciclo di produzione e consumo. Ridurre il consumo energetico, i costi di produzione e le emissioni è fondamentale, e ciò è possibile grazie ai progressi nel campo dei materiali. Questa tesi esplora l'innovazione nei materiali per migliorare l'efficienza e ridurre l'impatto ambientale. Il lavoro di tesi sperimentale si divide in due parti principali. La prima parte esplora la fattibilità tecnica per la giunzione di materiali compositi a matrice ceramica tramite ceramici derivati da polimeri (PDC). Nel dettaglio, i materiali compositi a matrice ceramica hanno eccellenti proprietà termiche, chimiche e meccaniche, ma i loro costi elevati e il consumo energetico limitano le applicazioni. Le giunzioni e i polimeri precursori come materiale di giunzione offrono una soluzione promettente. L'esperimento ha coinvolto la costruzione di giunzioni e rivestimenti, con analisi tramite diffrazione a raggi X, microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia a dispersione di energia (EDS). È stato impiegato un precursore polimerico di carburo di silicio caricato con particelle di carburo di silicio, chiamato Theton (dal nome della ditta USA presso la quale è stato acquistato) e due tipologie di substrati in CMC (composito a matrice ceramica rinforzato con fibre ceramiche, forniti da CEA-Francia). Il primo consiste in lastre costituite da una matrice di carburo di silicio rinforzata da fibre di carburo di silicio (SiCf/SiC); mentre il secondo è un sistema tubo-tappo, entrambi realizzati in SiCf/SiC. Lo studio iniziale ha interessato le lastre di SiCf/SiC, in primis con il solo Theton sottoposto a trattamento termico per studiarne il comportamento, ed in seguito è stato replicato il medesimo trattamento con il Theton caricato con fibre di carburo di silicio. Esse sono state sintetizzate a partire dall’uso di due tipologie di reagenti: fibre di carbonio e wafer di silicio. L’aggiunta dei riempitivi ha enormemente migliorato il grado di coesione del materiale risultante; invece, al fine di migliorare l’adesione tra il materiale di giunzione e i substrati è stata precedentemente svolta un’operazione di modifica superficiale del substrato tramite trattamento al plasma. La seconda parte del progetto riguarda lo studio dei parametri operativi ottimali per realizzare giunzioni tramite saldatura laser. Questa tecnica offre riscaldamento localizzato e bassi tempi di esposizione, con un conseguente basso consumo energetico rispetto ai metodi tradizionali. L'iniziale stato dell'arte comprende caratteristiche generali della saldatura laser e aspetti dei materiali vetroceramici, in particolare SAY, composto da ossido di ittrio (III), ossido di alluminio e silice. I substrati utilizzati sono stati i sistemi tubo-tappo in matrice di carburo di silicio rinforzata con fibre di carburo di silicio. Diversi campioni sono stati realizzati con le migliori condizioni operative e analizzati tramite CT-scan, microscopia elettronica a scansione ed emissione di campo (FESEM) e spettroscopia a dispersione di energia (EDS). L'analisi ha verificato la qualità, l'efficacia della giunzione e la composizione del materiale. In conclusione, i risultati positivi dimostrano il grande potenziale e applicabilità nel settore aereospaziale e nucleare delle tecniche di giunzione studiate, con suggerimenti per miglioramenti e prospettive future.