Flash Sintering – Nuovo metodo super veloce ed efficiente per sinterizzare i materiali ceramici

Nel 2010 un team di ricercatori dell'University of Colorado Boulder ha scoperto un meccanismo che permette la sinterizzazione di materiali ceramici a temperature molto più basse (circa 850°C contro i convenzionali 1400-1500°C) e in tempi molto più brevi (alcuni secondi) rispetto alle convenzionali ore, applicando un campo elettrico ai capi del provino. Questa tecnica è chiamata flash sintering. Il nome è dovuto sia per la rapidità con cui l'effetto avviene, sia per l'emanazione di luce durante il processo. 

INTRODUZIONE

Qualunque dispositivo elettronico in vostro possesso funziona grazie all'uso di materiali ceramici. Resistenze, capacità, diodi, sensori, processori, sono tutti fatti completamente o parzialmente in materiali ceramici. Ma come si crea un materiale ceramico? I materiali Ceramici non fondono facilmente (hanno punto di ebollizione oltre i 3500°C) e non è possibile costruire forni capaci di arrivare a temperature così elevate. Quindi, al contrario della lavorazione classica dei metalli, il cui minerale di partenza viene portato allo stato liquido, trasformato e poi opportunamente raffreddato, i materiali ceramici vengono sinterizzati. Con “sinterizzazione” si intende il processo di densificazione di un compatto di polveri, attraverso la rimozione della porosità tra le particelle di partenza, con la formazione di forti legami tra le particelle adiacenti.

LA SINTERIZZAZIONE

Negli ultimi anni la sinterizzazione non è più solo il processo che costituisce la fase centrale della produzione degli oggetti ceramici, ma viene impiegato anche nel settore metallurgico (metallurgia delle polveri) in sostituzione della fonderia, per la realizzazione di oggetti di forma e composizione complessa, e di piccole dimensioni.
Considerando le polveri come piccole sfere rigide dello stesso diametro, nel loro "impacchettamento" rimarrebbe vuoto uno spazio residuo che si aggira intorno al 20-25% del volume totale. La sinterizzazione tende a ridurre questo spazio vuoto secondo diversi modi e meccanismi andando ad eliminare i pori al suo interno (figura 1) sfruttando il trasporto di massa attivato dall'aumento di temperatura. Durante la sinterizzazione si ritira circa 15-20% del volume della forma iniziale.

Figura 1 - Processo di Sinterizzazione delle polveri ceramiche

Per ottenere un materiale ceramico si parte da delle polveri, più o meno pure, estratte da minerali e poi raffinate. Solitamente alle polveri si aggiungono degli additivi (acqua e leganti solitamente) che permettono alle particelle di restare unite durante le lavorazioni successive, dove possono venire pressate, colate o lavorate come tape per ottenere la forma desiderata. La forma così creata, chiamata Verde (Green Body), viene poi messa in forno con cicli ad alta temperatura che possono durare anche giorni interi. Per darvi un esempio numerico, la zirconia stabilizzata utilizzata per la creazione celle a combustibile viene sinterizzata per 2-3 ore a 1500°C, con una rampa per arrivare in temperatura che può impiegare anche 15 ore, in quanto l'eliminazione di acqua e leganti (che avviene sotto i 500°C) non deve essere fatto troppo repentinamente per non compromettere la precaria resistenza meccanica del Verde. Una grossa fetta del prezzo finale del componente viene proprio dal costo dell'energia utilizzata per la realizzazione del denso. Proprio per questo motivo, per cercare di diminuire i costi di produzione, diversi gruppi di ricerca negli ultimi 30 anni hanno sperimentato diverse metodologie che permettono la leggera diminuzione dei tempi e delle temperature da utilizzare. Fra queste quelle che hanno avuto relativamente più successo sono quelle che "assistono" la sinterizzazione con l'uso di alte pressioni, di plasma e/o di microonde. Il loro utilizzo permette la sinterizzazione nell'ordine dell'ora e a temperature che scendono di 200-300°C rispetto al metodo convenzionale.

IL NUOVO METODO

Nel 2010 nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'University of Colorado un team di ricerca, guidato dal Prof. Rishi Raj, ha sviluppato un metodo che permette la sinterizzazione di materiali ceramici anche a 850°C in meno di 5 secondi; collegando ai capi di un provino di Zirconia un modesto campo elettrico. Nel video 1 (facilmente trovabile anche su youtube), realizzato da uno dei componenti di questo team di ricerca, è possibile vedere in cosa consista e come si sviluppi questa tecnica.
Video 1: sinterizzazione di materiali
Nel caso del video l'esperimento è stato effettuato su Zirconia stabilizzata con ittria, alla temperatura costante di 900°C, con una tensione applicata molto bassa (un campo di 51V/cm ossia circa 100 V - da elettrodo a elettrodo la [...]

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2 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 21 luglio 2016
    • EPS 22 luglio 2016

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