Multiscale modelling/characterisation and fabrication of nanocomposite ceramics with improved toughness
Progetto La produzione di materiali ceramici resistenti e tenaci è particolarmente rilevante per i settori della ricerca biomedica e dell’aerospazio, per i quali il raggiungimento dell’affidabilità data dai metalli costituisce ancora un Santo Graal.
L'ossido di zirconio stabilizzato con Ceria (Ce-TZP) è stato ampiamente studiato grazie alla sua capacità di subire una maggiore quantità di trasformazione di fase indotta da stress, che porta a una maggiore tenacità alla frattura rispetto all'ossido di zirconio stabilizzato con ittrio (Y-TZP), soggetto a trasformazione di fase t-m per stress inferiori.
Al contrario, i materiali Ce-TZP sviluppano una resistenza meccanica inferiore rispetto a Y-TZP e, per ovviare a tale inconveniente, sono stati introdotti nanocompositi multifase a base di Ce-TZP. I meccanismi che regolano la nucleazione e la propagazione delle cricche in tali nanocompositi sono ancora poco chiari e necessitano di approfondimento.
Il progetto di ricerca CONCERTO si concentrerà su una serie di metodi di modellazione e caratterizzazione di materiali multiscala armonizzati, per supportare e accelerare la produzione di nanocompositi e rivestimenti Ce-TZP, con risultati senza precedenti in termini di combinazione tra forza e duttilità.
Nell'ambito di CONCERTO, verranno studiate tre strategie per aumentare la resistenza alla propagazione della cricca utilizzando tecniche integrate di modellazione/caratterizzazione: (i) trasformazioni di fase davanti alla punta della cricca, (ii) tempra di seconda fase e (iii) ingegnerizzazione del bordo del grano.
Per studiare tali meccanismi, saranno sviluppati e validati metodi avanzati di caratterizzazione su micro-nanoscala, in confronto diretto con un nuovo Phase-Field Method (PFM) per la modellazione ad elementi finiti degli effetti microstrutturali sulla nucleazione e propagazione delle cricche.
Verrà eseguita una progettazione multiscala di componenti ceramici selezionati, per dimostrare la capacità di ingegnerizzare i materiali dalle caratteristiche nano/microstrutturali alla macrostruttura e attraverso fasi di lavorazione della ceramica, dall'elaborazione delle polveri composite, alla sagomatura e sinterizzazione dei pezzi finali.
Una tecnologia emergente di stampa 3D per la ceramica tecnica, la stereolitografia, sarà utilizzata per la prima volta per fabbricare dimostratori semplici e di forma complessa, parallelamente allo sfruttamento della tecnologia a spruzzo termico per fabbricare rivestimenti.
Infine, saranno selezionati due casi studio di impatto per dimostrare la rilevanza della ricerca condotta, vale a dire l'ottimizzazione e la validazione funzionale di (a) materiali Ce-TZP per l'applicazione in odontoiatria protesi e (b) rivestimenti a barriera termica compositi Ce-TZP per applicazioni ad alta temperatura. Per raggiungere tali ambiziosi traguardi sarà istituita un'attività di coordinamento multidisciplinare, che metta in collegamento i laboratori di caratterizzazione di riferimento in Italia con capacità di multitecnica avanzata analisi microstrutturale/nanomeccanica (UniRoma3), a gruppi di riferimento sulla modellazione multiscala della frattura (UniUD), fabbricazione di prodotti (PoliTo, UniMore) e sfruttamento industriale della ceramica nanocompositi per applicazioni biomediche e aeronautiche (PoliTo, UniMore, UniTo).