Rafforzare i legami tra materiali dissimili
La mancanza di metodi affidabili per la creazione di legami resistenti con metalli e altri materiali impedisce all’industria manifatturiera di utilizzare diffusamente nuovi materiali ceramici ad alte prestazioni, soprattutto sul piano della resistenza al calore. Il progetto ADMACOM (Advanced manufacturing routes for metal/composite components for aerospace), finanziato dall’UE, ha prodotto strutture “ibride” derivanti dall’unione di materiali ceramici di nuova concezione e metalli e polimeri tradizionali. Le proprietà dei materiali dissimili, come l’espansione o il ritiro, la resistenza meccanica e la conduttività elettrica e termica, presentano spesso differenze sostanziali che rendono difficoltosa la creazione di legami solidi e resistenti. “Abbiamo lavorato sulla nanostruttura delle due superfici da unire in modo da modificarne la micro-texture e da aumentarne, di conseguenza, l’estensione,” sostiene Monica Ferraris, coordinatrice del progetto e docente presso il Politecnico di Torino. “L’utilizzo di metodi quali nanostrutturazione laser o temperature elevate ci ha consentito di produrre una superficie irregolare su entrambi i materiali che abbiamo successivamente incastrato meccanicamente attraverso una serie di adesivi in grado di infiltrarsi al suo interno e di rafforzare, in tal modo, il legame tra i materiali.” Una gamma di materiali Ricercatori universitari, progettisti industriali, scienziati dei materiali e ingegneri provenienti da vari settori, tra cui aerospaziale e nanotecnologico, e altre realtà aziendali come Airbus Group e MT Aerospace in Germania, hanno collaborato nell’ambito del progetto di partenariato pubblico-privato “fabbriche del futuro” ADMACOM allo scopo di sviluppare la tecnica di giunzione con un’intera gamma di materiali. Utilizzando la tecnica laser, Airbus ha modificato, ad esempio, la superficie di alcuni materiali, come il carburo di silicio e il nitruro di silicio, per creare “incastri a spazzola” sicuri. “Ciò che viene inserito tra i due materiali è uno spessore di pochi micron – spiega la prof.ssa Ferraris – che, tuttavia, è in grado di offrire elevati livelli di resistenza e affidabilità.” “Questa giunzione può essere adattata e utilizzata per unire qualsiasi tipo di materiale con caratteristiche differenti. È un materiale universale il cui impiego non è confinato al solo settore aerospaziale,” afferma Ferraris. Meno parti, più leggerezza La ceramica e i nuovi compositi a matrice ceramica (Ceramic Matrix Composites, CMC), vale a dire materiali ceramici con fibra, stanno già rivoluzionando la progettazione dei componenti industriali. Tuttavia, nel caso delle ceramiche i metodi tradizionali, basati ad esempio sull’utilizzo di viti aggiuntive per l’unione di materiali dissimili, causano sollecitazioni che potrebbero renderle più vulnerabili alle fratture. Il nuovo processo implica l’utilizzo di un minor numero di parti, quindi di viti e bulloni, e una riduzione del peso che garantisce, a sua volta, un significativo risparmio in termini di energia nel settore aerospaziale, per i satelliti e per le turbine e i reattori nucleari ad alta pressione. Il team ha testato il processo su numerosi materiali dissimili, conducendo analisi microstrutturali dettagliate di superfici, interfacce e vari materiali di giunzione, tra cui gli adesivi, utilizzando un test comparabile simile. “Un risultato chiave del progetto consiste nella possibilità di convalidare senza alcuna difficoltà vari materiali di giunzione utilizzando lo stesso test standardizzato sin dall’inizio dei lavori. I vari materiali legati sono stati analizzati in termini di prestazioni meccaniche, per cui era prevista anche l’esecuzione di test termici, attraverso l’adozione delle stesse tecniche,” afferma la prof.ssa Ferraris. “Abbiamo scoperto che la modifica delle superfici, già nota per la sua capacità di rafforzare i giunti di legno, può essere utilizzata anche su altri tipi di materiali, in questo caso sulla ceramica e sui compositi a matrice ceramica, al fine di rafforzarne i legami.”
Parole chiave
ADMACOM, materiali, aerospaziale, satelliti, compositi a matrice ceramica (CMC)