INFINITE

Liquid phase sintering of C fiber reinforced ultra-high temperature ceramics composites

Responsabile: Luca Zoli
Personale coinvolto: : Diletta Sciti, Simone Failla, Antonio Vinci (1° anno), Francesca Servadei (1° anno), Bartolomeo Zanardi (2° anno), Cesare Melandri

Data inizio: 18/07/2022
Durata: 36 mesi
Finanziamento totale: 452.492,00 $
Bando: ARMY RESEARCH OFFICE BROAD AGENCY ANNOUNCEMENT FOR FUNDAMENTAL RESEARCH W911NF-17-S-0002
Ruolo CNR ISTEC: Capofila
Coordinatore: Luca Zoli (CNR-ISSMC)
Consorzio: CNR-ISSMC, Missouri Science and Technology University (MS&T)

I compositi ceramici a matrice ultra-refrattaria (UHTCMCs) rappresentano la nuova generazione di materiali riutilizzabili per applicazioni a temperature superiori ai 2000°C, in ambienti estremi come quelli aerospaziali, militari e nucleari. Questi materiali ideali sono costituiti preferibilmente da due soli elementi essenziali integrati in modo ottimale, ad esempio un tessuto in fibra di carbonio e una matrice ultra-refrattaria. Il composito perfetto non necessita di rivestimenti aggiuntivi prima o dopo la lavorazione, e l’interfaccia tra la matrice e le fibre deve essere abbastanza debole da consentire il distacco delle fibre per migliorare la tenacità, ma anche sufficientemente forte per evitare la penetrazione di gas corrosivi o ossidanti durante l’esposizione. Questi materiali sono progettati per essere riutilizzabili grazie alla formazione in situ di una scala protettiva durante l’uso.

Per produrre tali materiali rivoluzionari, è stato sviluppato un processo economico e rapido che prevede l’infiltrazione di polveri all’interno di tessuti di fibre, seguita dalla sinterizzazione. La densificazione ottenuta con la sinterizzazione ad alta temperatura è un aspetto distintivo e cruciale del processo, poiché conferisce proprietà meccaniche eccellenti e resistenza all’ambiente severo. Tuttavia, una densificazione incontrollata può portare a una fragilità indesiderata.

La prestazione di questi compositi è influenzata da vari fattori, tra cui la porosità residua e le reazioni all’interfaccia fibra/matrice. La matrice deve essere abbastanza densa da garantire resistenza all’ossidazione, ma l’interfaccia deve essere controllata per evitare il degrado delle fibre. Pertanto, il tipo di interfaccia che si forma durante la sinterizzazione è di grande importanza.

L’obiettivo principale di questo progetto è studiare il comportamento della densificazione degli UHTCMCs per massimizzarne le prestazioni ad alte temperature. L’ipotesi alla base della ricerca è che la sinterizzazione in fase liquida sia più efficace di quella in fase solida per la densificazione dei compositi con fibre di carbonio, poiché consente di mantenere intatte le fibre.

Viene utilizzata una struttura di fibre di carbonio unidirezionali combinata con una matrice principalmente composta da Zirconio diboruro. I risultati di questa ricerca potranno poi essere estesi ad altre matrici per UHTCMCs. Un altro risultato importante del progetto sarà creare delle linee guida utili per la fabbricazione di materiali avanzati riutilizzabili per temperature superiori ai 2000°C, con particolare attenzione alle applicazioni aerospaziali.

Il progetto INFINITE si avvale delle competenze congiunte dei gruppi di ricerca di CNR-ISSMC di Faenza e del Missouri Science and Technology (MS&T), per investigare l’evoluzione dell’interfaccia matrice/fibra e i suoi effetti sulle prestazioni meccaniche a temperature elevate.

Pubblicazioni e brevetti

• Zoli L, Servadei F, Failla S, et al. ZrB2–SiC ceramics toughened with oriented paper-derived graph-ite for a sustainable approach. Journal of Advanced Ceramics. 2024;13(2):207–219. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220842

Conferenze ed eventi

• 47° Conferenza Internazionale e Expo su Ceramiche e Compositi Avanzati (ICACC2023), Daytona, USA, 22-27 gennaio 2023.
• 11° Conferenza internazionale sui compositi a matrice ceramica per alte temperature (HT-CMC 11), 27-31 agosto 2023, Jeju, Corea.
• Conferenza ECI (Ultra-High Temperature Ceramics: Materials for Extreme Environment Applications VI), 14-19 aprile 2024 Giardini Naxos, Messina, Sicilia, Italia.
• 74° Congresso Astronautico Internazionale – IAC, 02 – 06 ottobre 2023, Baku, Azerbaijan.
• 10° Congresso Internazionale sulla Ceramica (ICC’10), 14-18 luglio 2024, Montreal, Canada.
• Partecipazione alla delegazione italiana presso la Texas A&M University (TAMU), la John Hopkins university (JHU) e l’ambasciata italiana a Washinton dal 18 al 24 luglio 2024.

Premi

• best poster “ZrB₂-SiC ceramics toughened with oriented paper-derived graphite for a sustainable approach” a conferenza ECI (Ultra-High Temperature Ceramics: Materials for Extreme Environment Applications VI), April 14 – 19, 2024 Giardini Naxos, Messina, Sicilia, Italia.
• JECS Trust 2024 “Thermo-mechanical behavior of liquid phase sintered carbon fiber reinforced UHTC composites”  ha premiato un giovane ricercatore associato ISSMC per la  formazione di un giovane ricercatore all’università MS&T, MO, US nel gruppo di ricercar del Prof.  William G. Fahrenholtz.