Understanding ceramics for extreme environments: the importance of nano-scale investigations

I materiali ceramici avanzati sono i più appropriati per trovare applicazione in ambienti estremi vista la loro eccezionale combinazione di proprietà straordinarie. La definizione di ambiente estremo è molto ampia, ma nel campo della scienza dei materiali può essere riassunta come l'insieme di applicazioni in cui sono richiesti materiali con proprietà al limite di quanto attualmente disponibile. Si è deciso di suddividere le possibili applicazioni in base al regime termico: basso, medio e alto, in quanto i requisiti che i materiali devono soddisfare sono completamente diversi. Per quanto riguarda il regime di bassa temperatura, sono stati studiati compositi B4C-TiB2 per applicazioni balistiche, come i giubbotti antiproiettile, per la loro leggerezza, resistenza agli urti ed elevata durezza. L'influenza del precesso e di piccole aggiunte di WC sulla microstruttura è stata analizzata a fondo per correlare le proprietà meccaniche alla microstruttura fine e generale. La ceramica densa è stata caratterizzata dallo sviluppo di una struttura nucleo/guscio dei grani di boruro, con il guscio comprendente una soluzione solida (Ti, W) B2 con d quantità variabile di catione ospite W a seconda del percorso di lavorazione. Le concentrazioni di tungsteno nella soluzione solida sono state correlate alla nanodurezza e quindi alla resistenza teorica mediante una serie di nanoindentazioni ed un comportamento plastico aumentato è stato osservato per sostituzioni ad alto W, vantaggioso per mantenere la resistenza alla frattura. Passando poi al regime di temperatura intermedia, incontrata soprattutto dagli utensili da taglio per applicazioni quali l'industria mineraria e la lavorazione meccanica, anche in ambienti corrosivi come le acque di mare, in cui, oltre all'elevata durezza, sono richieste resistenza all'usura e alla corrosione, un la ceramica al carburo di tungsteno contenente il 5% in volume di carburo di silicio è stata pressata a caldo a piena densità a 1820 ° C. La formazione di un liquido WC-Si-O transitorio che ha facilitato la rimozione dell'ossido a temperatura relativamente bassa, ha favorito lo sviluppo di una microstruttura con granulometria bimodale sotto forma di poligoni o aste. Questa microstruttura ha portato a proprietà meccaniche eccezionali da ambiente a temperatura elevata. Per la prima volta, i materiali WC hanno mostrato una resistenza superiore a 1 GPa fino a 1500 °C e una tenacità alla frattura da 7 a 15 MPa⋅√m. Successivamente sono stati studiati materiali per il regime di alta e altissima temperatura, come possibili materiali candidati per applicazioni aerospaziali, come ugelli ipersonici per aerei in cui i materiali con elevata temperatura di fusione, resistenza all'ablazione e al danno accoppiati con una densità relativamente bassa sono di vitale importanza. I materiali più adatti sono le ceramiche ad altissima temperatura (UHTC), inclusi boruri e carburi dei metalli di transizione del gruppo IV e V. Sono state studiate a fondo le strutture core-shell formate dall'aggiunta di un catione ospite esterno nella matrice di boruro utilizzando sia SEM che TEM. Queste strutture hanno rivelato la precipitazione di nano-inclusioni di diversa natura, dimensione e forma a seconda del catione aggiunto, che erano in parte responsabili del miglioramento delle proprietà meccaniche della ceramica soprattutto nell'intervallo delle alte temperature. Questa scoperta rappresenta un punto di partenza verso la produzione di nuovi nanocompositi gerarchici per ambienti estremi e un primo passo verso la comprensione delle incredibili proprietà della ceramica ad alta entropia. Al fine di ridurre la densità degli UHTC sfusi al di sotto di 6 g / cm3, è stata studiata l'aggiunta di TiB2 a una matrice ZrB2. L'ulteriore aggiunta pari al 5% del terzo composto contenente Hf, V, Nb, Cr è stata introdotta per superare la minore resistenza all'ossidazione che caratterizza la fase TiB2. Si sono così ottenute soluzioni solide a tre elementi. Sono stati studiati dal punto di vista microstrutturale e, da queste prime analisi preliminari, hanno mostrato un comportamento formativo diverso rispetto alle soluzioni binarie semplici. L'ultima parte di questa dissertazione è incentrata sulla caratterizzazione microstrutturale di una classe di materiali di recente nascita, noti come compositi a matrice ceramica ad altissima temperatura (UHTCMC) ottenuti mediante infiltrazione di liquame o infiltrazione con fuso reattivo per comprendere: 1) il ruolo di Y2O3 durante la densificazione, sull'evoluzione della microstruttura e sulle proprietà meccaniche di una preforma in fibra di carbonio infiltrata da una sospensione di ZrB2-SiC; 2) il meccanismo di formazione della particolare microstruttura risultava dall'infiltrazione reattiva e dalla sinterizzazione a bassa temperatura di una miscela ZrB2-Zr2Cu-B in una preforma Cf