I ricercatori hanno dimostrato una nuova tecnica che utilizza i laser per creare ceramiche in grado di resistere a temperature ultra-elevate, con applicazioni che vanno dalle tecnologie dell'energia nucleare ai veicoli spaziali e ai sistemi di scarico dei jet. La tecnica può essere utilizzata per creare rivestimenti ceramici, piastrelle o strutture tridimensionali complesse-, il che consente una maggiore versatilità durante la progettazione di nuovi dispositivi e tecnologie.
"La sinterizzazione è il processo mediante il quale le materie prime, in polvere o liquide, vengono convertite in un materiale ceramico", afferma Cheryl Xu, co-autrice corrispondente di un articolo su questa ricerca e professoressa di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la North Carolina State University. "Per questo lavoro, ci siamo concentrati su una ceramica a temperatura ultra-elevata chiamata carburo di afnio (HfC). Tradizionalmente, la sinterizzazione dell'HfC richiede il posizionamento delle materie prime in un forno che può raggiungere temperature di almeno 2.200 gradi Celsius, un processo che richiede tempo-e un elevato consumo di energia.
"La nostra tecnica è più veloce, più semplice e richiede meno energia."
La nuova tecnica funziona applicando un laser da 120 watt alla superficie di un precursore polimerico liquido in un ambiente inerte, come una camera a vuoto o una camera riempita di argon. Il laser sinterizza il liquido, trasformandolo in una ceramica solida. Questo può essere utilizzato in due modi diversi.
Primo,il precursore liquido può essere applicato come rivestimento su una struttura sottostante, come i compositi di carbonio utilizzati nelle tecnologie ipersoniche come missili e veicoli per l'esplorazione spaziale. Il precursore può essere applicato sulla superficie della struttura e poi sinterizzato con il laser.
"Poiché il processo di sinterizzazione non richiede l'esposizione dell'intera struttura al calore del forno, la nuova tecnica è promettente poiché ci consente di applicare rivestimenti ceramici a temperatura ultra-elevata su materiali che potrebbero essere danneggiati dalla sinterizzazione in un forno", afferma Xu.
Il secondoIl modo in cui gli ingegneri possono utilizzare la nuova tecnica di sinterizzazione prevede la produzione additiva, nota anche come stampa 3D. Nello specifico, il metodo di sinterizzazione laser può essere utilizzato insieme a una tecnica simile alla stereolitografia.
In questa tecnica, un laser è montato su un tavolo immerso in un bagno del precursore liquido. Per creare una struttura tridimensionale,-i ricercatori creano un disegno digitale della struttura e poi la "dividono" in strati. Per iniziare, il laser disegna il profilo del primo strato della struttura nel polimero, riempiendo il profilo come se si colorasse un quadro. Mentre il laser "riempie" quest'area, l'energia termica converte il polimero liquido in ceramica. Il tavolo poi si abbassa un po' ulteriormente nel bagno polimerico e una lama scorre sulla parte superiore per uniformare la superficie. Il laser quindi sinterizza il secondo strato della struttura e questo processo si ripete fino ad ottenere un prodotto finito realizzato con ceramica sinterizzata.
"In realtà è un po' una semplificazione eccessiva dire che il laser lo èsoltantosinterizzazione del precursore liquido", afferma Xu. "È più accurato dire che il laser converte prima il polimero liquido in un polimero solido e poi converte il polimero solido in una ceramica. Tuttavia, tutto ciò avviene molto rapidamente: si tratta essenzialmente di un processo in un'unica fase."
Nei test di prova-di-concept, i ricercatori hanno dimostrato che la tecnica di sinterizzazione laser produceva HfC cristallino in fase-puro da un precursore polimerico liquido.
"Questa è la prima volta che sappiamo dove qualcuno è riuscito a creare HfC di questa qualità da un precursore polimerico liquido", afferma Xu. "E le ceramiche a temperatura ultra-elevata, come suggerisce il nome, sono utili per un'ampia gamma di applicazioni in cui le tecnologie devono resistere a temperature estreme, come la produzione di energia nucleare."
I ricercatori hanno inoltre dimostrato che la sinterizzazione laser potrebbe essere utilizzata per creare rivestimenti HfC di alta qualità di compositi di carbonio rinforzati con fibra di carbonio-(C/C). Fondamentalmente, il rivestimento ceramico si è attaccato alla struttura sottostante e non si è staccato.
"I rivestimenti HfC sui substrati C/C hanno dimostrato una forte adesione, una copertura uniforme e un potenziale utilizzo come protezione termica e strato resistente all'ossidazione", afferma Xu. "Ciò è particolarmente utile perché, oltre alle applicazioni ipersoniche, le strutture carbonio/carbonio vengono utilizzate negli ugelli dei razzi, nei dischi dei freni e nei sistemi di protezione termica aerospaziale come i coni di prua e i bordi d'attacco delle ali."
La nuova tecnica di sinterizzazione laser è inoltre significativamente più efficiente sotto diversi aspetti rispetto alla sinterizzazione convenzionale.
"La nostra tecnica ci consente di creare strutture e rivestimenti ceramici-a temperatura ultraelevata in pochi secondi o minuti, mentre le tecniche convenzionali richiedono ore o giorni", afferma Xu. "E poiché la sinterizzazione laser è più veloce e altamente localizzata, utilizza molta meno energia. Inoltre, il nostro approccio produce una resa più elevata. Nello specifico, la sinterizzazione laser converte almeno il 50% della massa del precursore in ceramica. Gli approcci convenzionali in genere convertono solo il 20-40% del precursore.
"Infine, la nostra tecnica è relativamente portatile", afferma Xu. "Sì, deve essere fatto in un ambiente inerte, ma trasportare una camera a vuoto e un'attrezzatura per la produzione additiva è molto più semplice che trasportare un potente forno-su larga scala.
"Siamo entusiasti di questo progresso nel campo della ceramica e siamo aperti a collaborare con partner pubblici e privati per trasferire questa tecnologia da utilizzare in applicazioni pratiche", afferma Xu.
L'articolo "Sintesi del carburo di afnio (HfC) tramite pirolisi di reazione laser selettiva in una-fase dal precursore di polimeri liquidi" è pubblicato nelGiornale dell'American Ceramic Society. L'autore co-corrispondente dell'articolo è Tiegang Fang, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State. I co-primi autori dell'articolo sono Shalini Rajpoot, ricercatrice post-dottorato presso NC State, e Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. studente presso NC State.
La ricerca è stata condotta con il supporto del Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, che ha sede presso l’Università della Carolina del Nord a Charlotte.
